Harvinaisten maametallien käyttö ydinmateriaaleissa

1. Ydinmateriaalien määritelmä

Laajasti ottaen ydinmateriaali on yleisnimitys materiaaleille, joita käytetään yksinomaan ydinteollisuudessa ja ydinvoimatutkimuksessa, mukaan lukien ydinpolttoaine ja ydintekniset materiaalit eli muut kuin ydinpolttoainemateriaalit.

Yleisesti ydinmateriaaleilla tarkoitetaan pääasiassa reaktorin eri osissa käytettyjä materiaaleja, joita kutsutaan myös reaktorimateriaaleiksi. Reaktorimateriaaleja ovat ydinpolttoaine, joka läpikäy ydinfissiota neutronipommituksessa, ydinpolttoaineen komponenttien suojakuorimateriaalit, jäähdytysnesteet, neutronimoderaattorit (hidastimet), neutroneja voimakkaasti absorboivat säätösauvamateriaalit ja heijastavat materiaalit, jotka estävät neutronien vuotamisen reaktorin ulkopuolelle.

2. Harvinaisten maametallien ja ydinvoimavarojen välinen suhde

Monatsiitti, jota kutsutaan myös fosfokeriitiksi ja fosfokeriitiksi, on yleinen apumineraali keskiraskaissa happamissa magmakivilajeissa ja metamorfisissa kivilajeissa. Monatsiitti on yksi harvinaisten maametallimalmien päämineraaleista, ja sitä esiintyy myös joissakin sedimenttikivilajeissa. Ruskehtavanpunainen, keltainen, joskus ruskehtavankeltainen, rasvaisen kiillon omaava, täysin lohkeava, Mohsin kovuus 5-5,5 ja ominaispaino 4,9-5,5.

Joidenkin Kiinan placer-tyyppisten harvinaisten maametalliesiintymien tärkein malmimineraali on monasiitti, jota sijaitsee pääasiassa Tongchengin, Hubein, Yueyangin, Hunanin, Shangraon, Jiangxin, Menghain, Yunnanin ja Hen piirikunnan alueilla Guangxissa. Placer-tyyppisten harvinaisten maametallien louhinnalla ei kuitenkaan usein ole taloudellista merkitystä. Yksittäiset kivet sisältävät usein refleksiivisiä torium-alkuaineita ja ovat myös kaupallisen plutoniumin tärkein lähde.

3. Yleiskatsaus harvinaisten maametallien sovelluksiin ydinfuusiossa ja ydinfissiossa patenttipanoraama-analyysin perusteella

Kun harvinaisten maametallien hakualkuaineiden avainsanat on täysin laajennettu, ne yhdistetään ydinfissio- ja ydinfuusio-laajennusavaimiin ja luokitusnumeroihin ja haetaan Incopt-tietokannasta. Hakupäivä on 24. elokuuta 2020. Yksinkertaisen perhefuusion jälkeen saatiin 4837 patenttia ja keinotekoisen kohinanvaimennuksen jälkeen määritettiin 4673 patenttia.

Harvinaisten maametallien patenttihakemuksia ydinfission tai ydinfuusion alalla on haettu 56 maahan/alueelle, pääasiassa Japaniin, Kiinaan, Yhdysvaltoihin, Saksaan ja Venäjälle jne. Huomattava määrä patentteja on jätetty PCT-muodossa, joista kiinalaisten teknologiahakemusten määrä on kasvanut erityisesti vuodesta 2009 lähtien ja siirtynyt nopeaan kasvuvaiheeseen, ja Japani, Yhdysvallat ja Venäjä ovat jatkaneet alan kehittämistä jo vuosia (kuva 1).

Kuva 1. Harvinaisten maametallien ydinfissiossa ja ydinfuusiossa käytettyjen teknologiapatenttien hakutrendi maissa/alueilla

Teknisten teemojen analyysistä voidaan nähdä, että harvinaisten maametallien käyttö ydinfuusiossa ja ydinfissiossa keskittyy polttoaine-elementteihin, tuikeaineisiin, säteilyilmaisimiin, aktinideihin, plasmoihin, ydinreaktoreihin, suojamateriaaleihin, neutronien absorptioon ja muihin teknisiin suuntiin.

4. Harvinaisten maametallien erityissovellukset ja keskeinen patenttitutkimus ydinmateriaaleissa

Näistä ydinmateriaalien ydinfuusio- ja ydinfissioreaktiot ovat intensiivisiä, ja materiaaleille asetetut vaatimukset ovat tiukat. Tällä hetkellä voimareaktorit ovat pääasiassa ydinfissioreaktoreita, ja fuusioreaktorit saattavat yleistyä laajamittaisesti 50 vuoden kuluttua.harvinaisten maametallienreaktorin rakennemateriaalien elementit; Tietyillä ydinkemian aloilla harvinaisia ​​maametalleja käytetään pääasiassa säätösauvoissa; Lisäksi,skandiumon käytetty myös radiokemiassa ja ydinteollisuudessa.

(1) Syttyvänä myrkkynä tai säätösauvana neutronitason ja ydinreaktorin kriittisen tilan säätämiseen

Voimareaktoreissa uusien ytimien alkuperäinen jäännösreaktiivisuus on yleensä suhteellisen korkea. Erityisesti ensimmäisen polttoaineenvaihtosyklin alkuvaiheessa, kun kaikki ytimen ydinpolttoaine on uutta, jäljellä oleva reaktiivisuus on korkein. Tässä vaiheessa pelkästään säätösauvojen lisäämiseen luottaminen jäännösreaktiivisuuden kompensoimiseksi johtaisi useampien säätösauvojen käyttöönottoon. Jokainen säätösauva (tai sauvapaketti) vastaa monimutkaisen käyttömekanismin käyttöönottoa. Toisaalta tämä lisää kustannuksia, ja toisaalta paineastian kannen reikien avaaminen voi johtaa rakenteellisen lujuuden heikkenemiseen. Se ei ole ainoastaan ​​epätaloudellista, vaan myös tiettyä huokoisuutta ja rakenteellista lujuutta paineastian kannessa ei sallita. Ilman säätösauvojen lisäämistä on kuitenkin tarpeen lisätä kemikaalien kompensoivien myrkkyjen (kuten boorihapon) pitoisuutta jäljellä olevan reaktiivisuuden kompensoimiseksi. Tässä tapauksessa booripitoisuus voi helposti ylittää kynnysarvon, ja moderaattorin lämpötilakerroin muuttuu positiiviseksi.

Edellä mainittujen ongelmien välttämiseksi säätöön voidaan yleensä käyttää palavien myrkkyjen, säätösauvojen ja kemiallisen kompensoinnin yhdistelmää.

(2) Lisäaineena reaktorin rakennemateriaalien suorituskyvyn parantamiseksi

Reaktorit vaativat rakenneosilta ja polttoaine-elementeiltä tietyn tason lujuutta, korroosionkestävyyttä ja korkeaa lämpöstabiiliutta, samalla kun ne estävät fissiotuotteiden pääsyn jäähdytysnesteeseen.

1) .Harvinaisten maametallien teräs

Ydinreaktorissa vallitsevat äärimmäiset fysikaaliset ja kemialliset olosuhteet, ja jokaisella reaktorin komponentilla on myös korkeat vaatimukset käytettävälle erikoisteräkselle. Harvinaisilla maametalleilla on erityisiä muokkausvaikutuksia teräkseen, mukaan lukien pääasiassa puhdistus, metamorfoosi, mikroseostus ja korroosionkestävyyden parantaminen. Harvinaisia ​​maametalleja sisältäviä teräksiä käytetään myös laajalti ydinreaktoreissa.

① Puhdistusvaikutus: Olemassa olevat tutkimukset ovat osoittaneet, että harvinaisilla maametalleilla on hyvä puhdistusvaikutus sulaan teräkseen korkeissa lämpötiloissa. Tämä johtuu siitä, että harvinaiset maametallit voivat reagoida sulassa teräksessä haitallisten alkuaineiden, kuten hapen ja rikin, kanssa ja muodostaa korkean lämpötilan yhdisteitä. Korkean lämpötilan yhdisteet voivat saostua ja purkautua sulkeumina ennen kuin sula teräs tiivistyy, mikä vähentää sulan teräksen epäpuhtauspitoisuutta.

② Metamorfismi: Toisaalta sulan teräksen harvinaisten maametallien ja haitallisten alkuaineiden, kuten hapen ja rikin, reaktiossa syntyvät oksidit, sulfidit tai oksisulfidit voivat osittain pidättyä sulassa teräksessä ja muodostaa korkean sulamispisteen omaavan teräksen sulkeumia. Näitä sulkeumia voidaan käyttää heterogeenisinä ydintymiskeskuksina sulan teräksen jähmettymisen aikana, mikä parantaa teräksen muotoa ja rakennetta.

③ Mikroseostus: Jos harvinaisten maametallien lisäystä lisätään edelleen, jäljelle jääneet harvinaiset maametallit liukenevat teräkseen edellä mainitun puhdistuksen ja metamorfismin jälkeen. Koska harvinaisten maametallien atomisäde on suurempi kuin rauta-atomin, harvinaisilla maametalleilla on suurempi pinta-aktiivisuus. Sulan teräksen jähmettymisprosessissa harvinaiset maametallit rikastuvat raerajalla, mikä voi paremmin vähentää epäpuhtauselementtien erottumista raerajalla ja siten vahvistaa kiinteää liuosta ja toimii mikroseoksena. Toisaalta harvinaisten maametallien vedyn varastointiominaisuuksien ansiosta ne voivat absorboida vetyä teräksestä, mikä parantaa tehokkaasti teräksen vetyhaurastumisilmiötä.

4. Korroosionkestävyyden parantaminen: Harvinaisten maametallien lisääminen voi myös parantaa teräksen korroosionkestävyyttä. Tämä johtuu siitä, että harvinaisilla maametalleilla on suurempi itsekorroosiopotentiaali kuin ruostumattomalla teräksellä. Siksi harvinaisten maametallien lisääminen voi lisätä ruostumattoman teräksen itsekorroosiopotentiaalia ja siten parantaa teräksen vakautta syövyttävissä aineissa.

2). Keskeinen patenttitutkimus

Keskeinen patentti: Kiinan tiedeakatemian Metallien instituutin keksintöpatentti oksididispersiolujitetulle matalan aktivaation teräkselle ja sen valmistusmenetelmälle

Patenttitiivistelmä: Esitetään fuusioreaktoreihin soveltuva oksididispersiolujitettu matala-aktivoitu teräs ja sen valmistusmenetelmä, jolle on tunnusomaista, että seosaineiden prosenttiosuus matala-aktivoituneen teräksen kokonaismassasta on: matriisi on 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 % ja 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.

Valmistusprosessi: Fe-Cr-WV-Ta-Mn-emoseoksen sulatus, jauheen atomisointi, emoseoksen korkeaenerginen kuulajauhatus jaY2O3-nanopartikkelisekoitettu jauhe, jauhetta ympäröivä uutto, jähmetysmuovaus, kuumavalssaus ja lämpökäsittely.

Harvinaisten maametallien lisäysmenetelmä: Lisää nanomittakaavaY2O3hiukkasia perusseokseen atomisoituun jauheeseen korkeaenergistä kuulajauhatusta varten, kuulajauhatusväliaineena Φ 6 ja Φ 10 sekalaisia ​​kovia teräskuulia, kuulajauhatusatmosfäärissä 99,99 % argonkaasua, kuulamateriaalin massasuhteen ollessa (8-10): 1, kuulajauhatusajan ollessa 40-70 tuntia ja pyörimisnopeuden ollessa 350-500 r/min.

3) .Käytetään neutronisäteilysuojausmateriaalien valmistukseen

① Neutronisäteilysuojelun periaate

Neutronit ovat atomiytimien osia, joiden staattinen massa on 1,675 × 10⁻⁷ kg, mikä on 1838 kertaa elektronimassa. Sen säde on noin 0,8 × 10⁻⁷ m, kooltaan samanlainen kuin protonilla, samanlainen kuin γ-säteet. Säteet ovat yhtä varauksettomia. Kun neutronit ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa, ne ovat pääasiassa vuorovaikutuksessa ytimen sisäisten ydinvoimien kanssa eivätkä vuorovaikuta ulkokuoren elektronien kanssa.

Ydinenergian ja ydinreaktoriteknologian nopean kehityksen myötä ydinsäteilyturvallisuuteen ja -suojeluun on kiinnitetty yhä enemmän huomiota. Säteilylaitteiden huoltoa ja pelastustoimintaa pitkään tehneiden käyttäjien säteilysuojelun vahvistamiseksi on erittäin tärkeää kehittää kevyitä suojakomposiitteja suojavaatetukseen. Neutronisäteily on tärkein osa ydinreaktorin säteilyä. Yleisesti ottaen suurin osa ihmisiin suorassa kosketuksessa olevista neutroneista on hidastunut matalaenergisiksi neutroneiksi ydinreaktorin sisällä olevien rakennemateriaalien neutronisuojavaikutuksen jälkeen. Matalaenergiset neutronit törmäävät elastisesti pienempien atomilukujen ytimiin ja jatkavat hidastumistaan. Moderoituneet lämpöneutronit absorboituvat suurempien neutronien absorptiovaikutusten omaaviin alkuaineisiin, ja lopulta saavutetaan neutronisuojaus.

② Keskeinen patenttitutkimus

Huokoiset ja orgaanis-epäorgaaniset hybridiominaisuudetharvinaisten maametalliengadoliniumMetallipohjaiset orgaaniset runkomateriaalit lisäävät yhteensopivuuttaan polyeteenin kanssa, mikä edistää syntetisoitujen komposiittimateriaalien korkeampaa gadoliniumpitoisuutta ja gadoliniumin dispersiota. Korkea gadoliniumpitoisuus ja dispersio vaikuttavat suoraan komposiittimateriaalien neutronisuojauskykyyn.

Keskeinen patentti: Hefei Institute of Material Science, Kiinan tiedeakatemia, keksintöpatentti gadoliniumpohjaiselle orgaaniselle kehyskomposiittisuojamateriaalille ja sen valmistusmenetelmälle

Patenttitiivistelmä: Gadoliniumpohjainen metalli-orgaaninen runkokomposiittisuojamateriaali on komposiittimateriaali, joka on muodostettu sekoittamallagadoliniumGadolinium-pohjainen metalli-orgaaninen runkomateriaali, jossa on polyeteeniä painosuhteessa 2:1:10, ja muodostetaan se liuotinhaihduttamisen tai kuumapuristamisen avulla. Gadolinium-pohjaisilla metalli-orgaanisella runkokomposiittisuojamateriaaleilla on korkea lämmönkestävyys ja lämpöneutronisuojauskyky.

Valmistusprosessi: erilaisten valintagadoliniummetallisuoloja ja orgaanisia ligandeja erityyppisten gadoliniumpohjaisten metalli-orgaanisten runkomateriaalien valmistamiseksi ja syntetisoimiseksi, pesemällä ne pienillä metanoli-, etanoli- tai vesimolekyyleillä sentrifugoimalla ja aktivoimalla ne korkeassa lämpötilassa tyhjiöolosuhteissa, jotta jäljelle jääneet reagoimattomat raaka-aineet poistuvat kokonaan gadoliniumpohjaisten metalli-orgaanisten runkomateriaalien huokosista; Vaiheessa valmistettua gadoliniumpohjaista organometallista runkomateriaalia sekoitetaan polyeteeniliuoksen kanssa suurella nopeudella tai ultraäänellä, tai vaiheessa valmistettua gadoliniumpohjaista organometallista runkomateriaalia sulatetaan erittäin suuren molekyylipainon omaavan polyeteenin kanssa korkeassa lämpötilassa, kunnes seos on täysin sekoittunut; Tasaisesti sekoitettu gadoliniumpohjainen metalli-orgaaninen runkomateriaali/polyeteeniseos asetetaan muottiin ja muodostettu gadoliniumpohjainen metalli-orgaaninen runkokomposiittisuojamateriaali saadaan kuivaamalla liuottimen haihtumisen edistämiseksi tai kuumapuristamalla; Valmistetulla gadoliniumpohjaisella metalli-orgaanisella runkokomposiittisuojamateriaalilla on merkittävästi parantunut lämmönkestävyys, mekaaniset ominaisuudet ja erinomainen lämpöneutronisuojauskyky verrattuna puhtaisiin polyeteenimateriaaleihin.

Harvinaisten maametallien additiomoodi: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 tai Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 huokoinen kiteinen koordinaatiopolymeeri, joka sisältää gadoliniumia ja joka saadaan koordinaatiopolymeroinnillaGd(NO3)3 • 6H2O tai GdCl3 • 6H2Oja orgaaninen karboksylaattiligandi; Gadoliniumpohjaisen metallisen orgaanisen runkomateriaalin koko on 50 nm - 2 μm； Gadoliniumpohjaisilla metallisilla orgaanisilla runkomateriaaleilla on erilaisia ​​morfologioita, mukaan lukien rakeiset, sauvanmuotoiset tai neulanmuotoiset muodot.

(4) SoveltaminenSkandiumradiokemiassa ja ydinvoimateollisuudessa

Skandiummetallilla on hyvä lämmönkestävyys ja vahva fluorin absorptiokyky, mikä tekee siitä välttämättömän materiaalin atomienergiateollisuudessa.

Keskeinen patentti: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, keksintöpatentti alumiinisinkkimagnesiumskandiumseokselle ja sen valmistusmenetelmälle

Patenttitiivistelmä: Alumiinisinkkimagnesium-skandiumseosja sen valmistusmenetelmä. Alumiinisinkkimagnesiumskandiumseoksen kemiallinen koostumus ja painoprosentti ovat: Mg 1,0–2,4 %, Zn 3,5–5,5 %, Sc 0,04–0,50 %, Zr 0,04–0,35 %, epäpuhtaudet Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, muut epäpuhtaudet yksittäisinä ≤ 0,05 %, muut epäpuhtaudet yhteensä ≤ 0,15 % ja loput Al. Tämän alumiinisinkkimagnesiumskandiumseosmateriaalin mikrorakenne on tasainen ja sen suorituskyky on vakaa, ja sen vetolujuus on yli 400 MPa, myötölujuus yli 350 MPa ja vetolujuus hitsatuissa liitoksissa yli 370 MPa. Materiaalituotteita voidaan käyttää rakenneosina ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, ydinteollisuudessa, kuljetuksessa, urheiluvälineissä, aseissa ja muilla aloilla.

Valmistusprosessi: Vaihe 1, ainesosa yllä olevan seoskoostumuksen mukaisesti; Vaihe 2: Sulatus sulatusuunissa 700 ℃–780 ℃:n lämpötilassa; Vaihe 3: Täysin sulanut metallineste puhdistetaan ja metallin lämpötila pidetään 700 ℃–750 ℃:n välillä puhdistuksen aikana; Vaihe 4: Puhdistuksen jälkeen sen annetaan seistä kokonaan paikallaan; Vaihe 5: Täysin seisomisen jälkeen aloitetaan valaminen, uunin lämpötila pidetään 690 ℃–730 ℃:n välillä ja valunopeus on 15–200 mm/minuutti; Vaihe 6: Seosharkon homogenisointi-hehkutus suoritetaan lämmitysuunissa homogenisointilämpötilassa 400 ℃–470 ℃; Vaihe 7: Homogenisoitu harkko kuoritaan ja kuumapursotetaan, jolloin saadaan yli 2,0 mm:n seinämän paksuuden omaavia profiileja. Ekstruusioprosessin aikana aihion lämpötila on pidettävä 350–410 ℃:ssa; Vaihe 8: Purista profiilia liuossammutuskäsittelyä varten liuoslämpötilassa 460–480 ℃; Vaihe 9: 72 tunnin kiinteän liuossammutuksen jälkeen vanhenna manuaalisesti. Manuaalisen vanhentamisen lämpötila on: 90–110 ℃ / 24 tuntia + 170–180 ℃ / 5 tuntia tai 90–110 ℃ / 24 tuntia + 145–155 ℃ / 10 tuntia.

5. Tutkimuksen yhteenveto

Yleisesti ottaen harvinaisia ​​maametalleja käytetään laajalti ydinfuusiossa ja -fissiossa, ja niillä on paljon patenttisuunnitelmia sellaisilla teknisillä aloilla kuin röntgensäteilyn heräte, plasmanmuodostus, kevytvesireaktori, transuraani, uraanyyli ja oksidijauhe. Reaktorimateriaalien osalta harvinaisia ​​maametalleja voidaan käyttää reaktorin rakennemateriaaleina ja niihin liittyvinä keraamisina eristemateriaaleina, ohjausmateriaaleina ja neutronisäteilyltä suojaavina materiaaleina.