Ritkaföldfémek alkalmazása nukleáris anyagokban

1. A nukleáris anyagok meghatározása

Tágabb értelemben a nukleáris anyag az összes olyan anyag gyűjtőneve, amelyet kizárólag a nukleáris iparban és a nukleáris tudományos kutatásban használnak, beleértve a nukleáris üzemanyagot és a nukleáris mérnöki anyagokat, azaz a nem nukleáris üzemanyagokat.

Az általánosan emlegetett nukleáris anyagok főként a reaktor különböző részeiben használt anyagokra utalnak, más néven reaktoranyagokra. A reaktoranyagok közé tartozik a neutronbombázás alatt maghasadáson áteső nukleáris üzemanyag, a nukleáris üzemanyag-alkatrészek burkolatanyagai, a hűtőfolyadékok, a neutronmoderátorok, a neutronokat erősen elnyelő szabályozórudak anyagai, valamint a neutronok reaktoron kívüli szivárgását megakadályozó fényvisszaverő anyagok.

2. A ritkaföldfém-erőforrások és a nukleáris erőforrások közötti összefüggés

A monacit, más néven foszfocerit, gyakori járulékos ásvány a közbenső savas magmás kőzetekben és metamorf kőzetekben. A monacit a ritkaföldfémércek egyik fő ásványa, és egyes üledékes kőzetekben is előfordul. Barnásvörös, sárga, néha barnássárga, zsíros csillogással, teljesen hasadt, Mohs-keménység 5-5,5, fajsúlya 4,9-5,5.

Kína egyes placer típusú ritkaföldfém-lelőhelyei közül a fő érces ásvány a monacit, amely főként Tongcseng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan és Ho megyében, Guangxi tartományokban található. A placer típusú ritkaföldfém-források kitermelése azonban gyakran nem bír gazdasági jelentőséggel. A magányos kövek gyakran tartalmaznak reflexív tórium elemeket, és egyben a kereskedelmi plutónium fő forrásai is.

3. A ritkaföldfémek magfúzióban és maghasadásban való alkalmazásának áttekintése szabadalmi panorámaelemzés alapján

Miután a ritkaföldfém-keresési elemek kulcsszavait teljesen kibővítették, azokat kombinálják a maghasadás és magfúzió bővítési kulcsaival és osztályozási számaival, és az Incopt adatbázisban keresik. A keresés dátuma 2020. augusztus 24. Egyszerű családegyesítéssel 4837 szabadalmat szereztek, mesterséges zajcsökkentéssel pedig 4673 szabadalmat határoztak meg.

A ritkaföldfémekre vonatkozó szabadalmi bejelentések a maghasadás vagy magfúzió területén 56 országban/régióban vannak elosztva, főként Japánban, Kínában, az Egyesült Államokban, Németországban és Oroszországban stb. Jelentős számú szabadalmat nyújtanak be PCT formájában, amelyek közül a kínai szabadalmi technológiai bejelentések száma növekszik, különösen 2009 óta, gyors növekedési szakaszba lépve, Japán, az Egyesült Államok és Oroszország pedig évek óta folytatja a fejlesztéseket ezen a területen (1. ábra).

1. ábra A ritkaföldfémek nukleáris maghasadásban és magfúzióban történő alkalmazásához kapcsolódó technológiai szabadalmak bejelentési trendje országokban/régiókban

A műszaki témák elemzéséből látható, hogy a ritkaföldfémek alkalmazása a magfúzióban és a maghasadásban az üzemanyagelemekre, szcintillátorokra, sugárzásdetektorokra, aktinidákra, plazmákra, nukleáris reaktorokra, árnyékoló anyagokra, neutronabszorpcióra és más műszaki irányokra összpontosít.

4. Ritkaföldfémek nukleáris anyagokban való felhasználásának konkrét alkalmazásai és kulcsfontosságú szabadalmi kutatása

Közülük a nukleáris anyagokban zajló magfúziós és maghasadási reakciók intenzívek, és az anyagokkal szembeni követelmények szigorúak. Jelenleg az erőművek főként maghasadásos reaktorok, és a fúziós reaktorok 50 év múlva nagymértékben elterjedhetnek. Az alkalmazás...ritkaföldfémelemek a reaktor szerkezeti anyagaiban; Bizonyos nukleáris kémiai területeken a ritkaföldfémeket főként szabályozórudakban használják; Ezenkívül,szkandiumradiokémiában és a nukleáris iparban is használták.

(1) Éghető méregként vagy szabályozórúdként a neutronszint és a nukleáris reaktor kritikus állapotának beállítására

Energiareaktorokban az új zónák kezdeti maradék reakcióképessége általában viszonylag magas. Különösen az első üzemanyag-áttöltési ciklus korai szakaszában, amikor a zónában lévő összes nukleáris üzemanyag új, a fennmaradó reakcióképesség a legmagasabb. Ezen a ponton, ha kizárólag a szabályozórudak növelésére hagyatkoznánk a maradék reakcióképesség kompenzálására, az további szabályozórudakat vezetne be. Minden egyes szabályozórúd (vagy rúdköteg) egy összetett hajtómechanizmus bevezetését jelenti. Ez egyrészt növeli a költségeket, másrészt a nyomástartó edény tetején lévő lyukak megnyitása a szerkezeti szilárdság csökkenéséhez vezethet. Nemcsak gazdaságtalan, de a nyomástartó edény tetején nem megengedett bizonyos mértékű porozitás és szerkezeti szilárdság. A szabályozórudak növelése nélkül azonban növelni kell a kémiai kompenzáló toxinok (például bórsav) koncentrációját a fennmaradó reakcióképesség kompenzálására. Ebben az esetben a bórkoncentráció könnyen meghaladhatja a küszöbértéket, és a moderátor hőmérsékleti együtthatója pozitívvá válik.

A fent említett problémák elkerülése érdekében általában éghető toxinok, szabályozórudak és kémiai kompenzációs szabályozás kombinációja alkalmazható a szabályozáshoz.

(2) Adalékanyagként a reaktor szerkezeti anyagainak teljesítményének javítására

A reaktorok szerkezeti elemei és fűtőelemei bizonyos szintű szilárdsággal, korrózióállósággal és magas hőstabilitással rendelkeznek, miközben megakadályozzák a hasadási termékek bejutását a hűtőfolyadékba.

1) .Ritkaföldfém acél

Az atomreaktor szélsőséges fizikai és kémiai körülmények között működik, és a reaktor minden egyes alkotóeleme magas követelményeket támaszt a felhasznált speciális acéllal szemben. A ritkaföldfémek különleges módosító hatást gyakorolnak az acélra, főként a tisztítást, a metamorfózist, a mikroötvözést és a korrózióállóság javítását foglalják magukban. A ritkaföldfémeket tartalmazó acélokat szintén széles körben használják az atomreaktorokban.

① Tisztító hatás: A meglévő kutatások kimutatták, hogy a ritkaföldfémek jó tisztító hatást fejtenek ki az olvadt acélra magas hőmérsékleten. Ez azért van, mert a ritkaföldfémek reakcióba léphetnek az olvadt acélban lévő káros elemekkel, például oxigénnel és kénnel, magas hőmérsékletű vegyületeket képezve. A magas hőmérsékletű vegyületek kicsapódhatnak és zárványok formájában távozhatnak, mielőtt az olvadt acél kondenzálódik, ezáltal csökkentve az olvadt acél szennyeződéstartalmát.

② Metamorfizmus: másrészt az olvadt acélban lévő ritkaföldfémek és a káros elemek, például az oxigén és a kén reakciója során keletkező oxidok, szulfidok vagy oxiszulfidok részben visszatarthatók az olvadt acélban, és magas olvadáspontú acélzárványokká válhatnak. Ezek a zárványok heterogén nukleációs központokként használhatók az olvadt acél megszilárdulása során, ezáltal javítva az acél alakját és szerkezetét.

③ Mikroötvözés: ha a ritkaföldfémek hozzáadását tovább növeljük, a fenti tisztítás és metamorfózis befejezése után a megmaradt ritkaföldfém feloldódik az acélban. Mivel a ritkaföldfém atomrádiusza nagyobb, mint a vasatomé, a ritkaföldfém felületi aktivitása nagyobb. Az olvadt acél megszilárdulási folyamata során a ritkaföldfémek a szemcsehatáron dúsulnak fel, ami jobban csökkentheti a szennyeződések szétválását a szemcsehatáron, ezáltal erősítve a szilárd oldatot és betöltve a mikroötvözés szerepét. Másrészt a ritkaföldfémek hidrogéntárolási tulajdonságai miatt képesek hidrogént elnyelni az acélban, ezáltal hatékonyan javítva az acél hidrogénridegedési jelenségét.

4. A korrózióállóság javítása: A ritkaföldfémek hozzáadása szintén javíthatja az acél korrózióállóságát. Ez azért van, mert a ritkaföldfémek nagyobb önkorróziós potenciállal rendelkeznek, mint a rozsdamentes acél. Ezért a ritkaföldfémek hozzáadása növelheti a rozsdamentes acél önkorróziós potenciálját, ezáltal javítva az acél stabilitását korrozív közegben.

2). Kulcsfontosságú szabadalmi tanulmány

Kulcsszabadalom: a Kínai Tudományos Akadémia Fémipari Intézetének találmányi szabadalma egy oxiddiszperzióval erősített, alacsony aktiválású acélra és annak előállítási eljárására

Szabadalmi kivonat: A találmány tárgya egy fúziós reaktorokhoz alkalmas, oxiddiszperzióval erősített, alacsony aktiválású acél és annak előállítási eljárása, amelyre jellemző, hogy az ötvözőelemek százalékos aránya az alacsony aktiválású acél teljes tömegében a következő: a mátrix Fe, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ W ≤ 1,55%, 0,1% ≤ V ≤ 0,3%, 0,03% ≤ Ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ Mn ≤ 0,6% és 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Gyártási folyamat: Fe-Cr-WV-Ta-Mn alapötvözet olvasztás, porlasztás, az alapötvözet nagy energiájú golyósőrlése ésY2O3 nanorészecskekevert por, porburkoló extrakció, megszilárdító formázás, meleghengerlés és hőkezelés.

Ritkaföldfém-addíciós módszer: Nanoskálájú hozzáadásaY2O3részecskék az alapötvözet porlasztott porához nagy energiájú golyósőrléshez, ahol a golyósőrlő közeg Φ 6 és Φ 10 vegyes kemény acélgolyók, 99,99% argongáz golyósőrlő atmoszférában, (8-10): 1 golyóanyag-tömegarányban, 40-70 órás golyósőrlési időben és 350-500 ford/perc forgási sebességgel.

3). Neutronsugárzás elleni védőanyagok előállítására használják

① A neutronsugárzás elleni védelem elve

A neutronok az atommagok alkotóelemei, statikus tömegük 1,675 × 10⁻⁷ kg, ami 1838-szorosa az elektronikus tömegnek. Sugaruk körülbelül 0,8 × 10⁻⁷ m, méretük hasonló egy protonhoz, hasonlóan a γ-atomhoz. A sugarak egyenlően töltetlenek. Amikor a neutronok anyaggal kölcsönhatásba lépnek, főként a magon belüli erőkkel lépnek kölcsönhatásba, és nem a külső héjon lévő elektronokkal.

Az atomenergia és az atomreaktor-technológia gyors fejlődésével egyre nagyobb figyelmet fordítanak a nukleáris sugárbiztonságra és a sugárvédelemre. A sugárberendezések karbantartásával és baleseti mentéssel régóta foglalkozó üzemeltetők sugárvédelmének megerősítése érdekében nagy tudományos jelentőséggel és gazdasági értékkel bír a könnyű árnyékoló kompozitok fejlesztése védőruházatokhoz. A neutronsugárzás a nukleáris reaktorok sugárzásának legfontosabb része. Általánosságban elmondható, hogy az emberi szervezettel közvetlenül érintkező neutronok nagy része a nukleáris reaktorban lévő szerkezeti anyagok neutronvédő hatása után alacsony energiájú neutronokká lassul. Az alacsony energiájú neutronok rugalmasan ütköznek az alacsonyabb rendszámú atommagokkal, és továbbra is moderálódnak. A moderált termikus neutronokat nagyobb neutronabszorpciós keresztmetszetű elemek nyelik el, és végül neutronárnyékolás érhető el.

② Kulcsfontosságú szabadalmi tanulmány

A porózus és szerves-szervetlen hibrid tulajdonságairitkaföldfém elemgadolíniumA fémalapú szerves vázú anyagok növelik kompatibilitásukat a polietilénnel, elősegítve a szintetizált kompozit anyagok magasabb gadolíniumtartalmát és gadolínium-diszperzióját. A magas gadolíniumtartalom és -diszperzió közvetlenül befolyásolja a kompozit anyagok neutronárnyékoló teljesítményét.

Kulcsszabadalom: Hefei Anyagtudományi Intézet, Kínai Tudományos Akadémia, találmányi szabadalom egy gadolínium alapú szerves vázú kompozit árnyékoló anyagról és előállítási eljárásáról

Szabadalmi kivonat: A gadolínium alapú fém szerves vázú kompozit árnyékoló anyag egy olyan kompozit anyag, amelyet keveréssel állítanak előgadolínium2:1:10 tömegarányú fémorganikus vázú polietilénnel kevert kompozit árnyékolóanyagok, oldószer-párologtatással vagy melegsajtolással. A gadolínium alapú fémorganikus vázú kompozit árnyékoló anyagok nagy hőstabilitással és termikus neutronárnyékoló képességgel rendelkeznek.

Gyártási folyamat: különböző kiválasztásagadolínium fémsók és szerves ligandumok különböző típusú gadolínium alapú fémorganikus vázú anyagok előállítására és szintetizálására, centrifugálással kis molekulájú metanollal, etanollal vagy vízzel történő mosással, majd magas hőmérsékleten, vákuumkörülmények között történő aktiválással a gadolínium alapú fémorganikus vázú anyagok pórusaiban maradt, reagálatlan nyersanyagok teljes eltávolítása érdekében; A lépésben előállított gadolínium alapú fémorganikus vázú anyagot nagy sebességgel vagy ultrahanggal polietilén lotionnal keverik, vagy a lépésben előállított gadolínium alapú fémorganikus vázú anyagot ultranagy molekulatömegű polietilénnel olvadékban keverik magas hőmérsékleten, amíg teljesen össze nem keveredik; Az egyenletesen összekevert gadolínium alapú fémorganikus vázú anyag/polietilén keveréket a formába helyezik, és a kialakított gadolínium alapú fémorganikus vázú kompozit árnyékoló anyagot szárítással, az oldószer elpárolgása elősegítése érdekében, vagy melegsajtolással kapják meg; Az előállított gadolínium alapú fémorganikus vázú kompozit árnyékoló anyag jelentősen jobb hőállósággal, mechanikai tulajdonságokkal és kiváló termikus neutron árnyékoló képességgel rendelkezik a tiszta polietilén anyagokhoz képest.

Ritkaföldfém-addíciós mód: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 vagy Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porózus, kristályos koordinációs polimer, amely gadolíniumot tartalmaz, és amelyet a következők koordinációs polimerizációjával állítanak elő:Gd(NO3)3 • 6H2O vagy GdCl3 • 6H2Oés szerves karboxilát ligandum; A gadolínium alapú fém szerves vázú anyag mérete 50 nm-2 μm； A gadolínium alapú fém szerves vázú anyagok különböző morfológiával rendelkeznek, beleértve a szemcsés, rúd alakú vagy tű alakú formákat.

(4) AlkalmazásSzkandiuma radiokémiában és a nukleáris iparban

A szkandiumfém jó hőstabilitással és erős fluor abszorpciós képességgel rendelkezik, így nélkülözhetetlen anyag az atomenergia-iparban.

Kulcsszabadalom: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, találmányi szabadalom egy alumínium-cink-magnézium-szkandium ötvözetre és előállítási eljárására

Szabadalmi kivonat: Alumínium-cinkmagnézium-szkandiumötvözetés előállítási módja. Az alumínium-cink-magnézium-szkandium ötvözet kémiai összetétele és tömegszázaléka: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, szennyeződések Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, egyéb szennyeződések egyenként ≤ 0,05%, egyéb szennyeződések összesen ≤ 0,15%, a fennmaradó mennyiség Al. Ennek az alumínium-cink-magnézium-szkandium ötvözetnek a mikroszerkezete egyenletes, teljesítménye stabil, szakítószilárdsága meghaladja a 400 MPa-t, folyáshatára meghaladja a 350 MPa-t, hegesztett kötések szakítószilárdsága pedig meghaladja a 370 MPa-t. Az anyagtermékek szerkezeti elemként használhatók repülőgépiparban, nukleáris iparban, közlekedésben, sportfelszerelésekben, fegyverekben és más területeken.

Gyártási folyamat: 1. lépés, összetevő a fenti ötvözetösszetétel szerint; 2. lépés: Olvasztás olvasztókemencében 700 ℃~780 ℃ hőmérsékleten; 3. lépés: A teljesen megolvadt fémfolyadék finomítása, és a fém hőmérsékletének 700 ℃~750 ℃ ​​tartományban tartása a finomítás során; 4. lépés: Finomítás után teljesen állni kell hagyni; 5. lépés: Teljes állás után megkezdeni az öntést, a kemence hőmérsékletét 690 ℃~730 ℃ tartományban tartani, az öntési sebességet pedig 15-200 mm/perc között tartani; 6. lépés: Homogenizációs lágyítási kezelés az ötvözetön a fűtőkemencében, 400 ℃~470 ℃ homogenizációs hőmérsékleten; 7. lépés: A homogenizált öntvény lefejtése és meleg extrudálása 2,0 mm-nél vastagabb falú profilok előállításához. Az extrudálási folyamat során a bugát 350 ℃ és 410 ℃ közötti hőmérsékleten kell tartani; 8. lépés: A profilt összenyomják az oldatos edzéshez, 460-480 ℃ oldathőmérsékleten; 9. lépés: 72 órás szilárd oldatos edzés után manuális erőöregítést kell végezni. A manuális erőöregítési rendszer: 90~110 ℃/24 óra + 170~180 ℃/5 óra, vagy 90~110 ℃/24 óra + 145~155 ℃/10 óra.

5. Kutatási összefoglaló

Összességében a ritkaföldfémeket széles körben használják a magfúzióban és a maghasadásban, és számos szabadalommal rendelkeznek olyan műszaki területeken, mint a röntgengerjesztés, a plazmaképződés, a könnyűvizes reaktor, a transzurán, az uranil és az oxidpor. Ami a reaktoranyagokat illeti, a ritkaföldfémek reaktorszerkezeti anyagként és kapcsolódó kerámia szigetelőanyagként, vezérlőanyagként és neutronsugárzás elleni védőanyagként is használhatók.