Harvinaisten maametallien elementtien käyttö ydinmateriaaleissa

1 、 Ydinmateriaalien määritelmä

Laajassa merkityksessä ydinmateriaali on yleinen termi yksinomaan ydinteollisuudessa käytettäville materiaaleille ja ydinalan tieteelliselle tutkimukselle, mukaan lukien ydinpolttoaine- ja ydintekniikan materiaalit, ts. Ydinpolttoainetta.

Yleisesti viitattu ydinmateriaaleihin viittaa pääasiassa reaktorin eri osissa käytettyihin materiaaleihin, joita kutsutaan myös nimellä reaktorimateriaalit. Reaktorimateriaalit sisältävät ydinpolttoaineiden ydinpolttoaineiden polttoainetta, neutronipommitusten alla, ydinpolttoainekomponenttien verhousmateriaalit, jäähdytysnestejä, neutronimoderaattoreita (moderaattoreita), kontrollitangon materiaaleja, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja, ja heijastavat materiaalit, jotka estävät neutronivuotoja reaktorin ulkopuolella.

2 、 CO: n liittyvä suhde harvinaisten maametalliresurssien ja ydinresurssien välillä

Monaksiitti, jota kutsutaan myös fosfoceriitiksi ja fosfoceriitiksi, on yleinen lisäympäristöympäristöhappokivi ja metamorfinen kallio. Monazite on yksi harvinaisen maametallimalmin päämineraaleista, ja se on myös jossain sedimenttikivissä. Ruskehtava punainen, keltainen, joskus ruskehtava keltainen, rasvaisella kiilto, täydellinen pilkkominen, mohs-kovuus 5-5,5 ja spesifinen painovoima 4,9-5,5.

Joidenkin Kiinan harvinaisten maapallon talletusten tärkein malmi -mineraali on monasiitti, pääasiassa TongCheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangraossa, Jiangxissä, Menghai, Yunnan ja County, Guangxi. Placer -tyyppisten maamaterien resurssien uuttamisella ei kuitenkaan usein ole taloudellista merkitystä. Yksinäiset kivet sisältävät usein refleksiivisiä toriumelementtejä ja ovat myös kaupallisen plutoniumin päälähde.

3 、 Yleiskatsaus harvinaisten maametallien sovelluksiin ydinfuusiossa ja ydinfissiossa, joka perustuu patenttipanoraamianalyysiin

Kun harvinaisten maametallien hakuelementtien avainsanat ovat täysin laajentuneet, ne yhdistetään ydinfission ja ydinfuusion laajennusavaimiin ja luokittelumääriin, ja niitä haetaan Incopt -tietokannasta. Hakupäivä on 24. elokuuta 2020. 4837 patentit saatiin yksinkertaisen perheen sulautumisen jälkeen ja 4673 patenttia määritettiin keinotekoisen melun vähentämisen jälkeen.

Ydinvoiton tai ydinfuusion harvinaisten patenttihakemukset jakautuvat 56 maassa/alueella, jotka ovat keskittyneet pääasiassa Japaniin, Kiinaan, Yhdysvaltoihin, Saksaan ja Venäjälle jne. PCT: n muodossa käytetään huomattavaa määrää patentteja, joista Kiinan patenttisovellukset ovat kasvaneet, etenkin vuodesta 2009 lähtien, ja se on mennyt moniin vuosiin (Japaniin 1).

Kuva 1 Teknologiapatentit, jotka liittyvät harvinaisten maametallien sovelluksiin ydinvoiman fissiossa ja ydinfuusiossa maissa/alueilla

Teknisten teemojen analysoinnista voidaan nähdä, että harvinaisten maametallien soveltaminen ydinfuusiossa ja ydinfissiossa keskittyy polttoaineelementeihin, tuikeihin, säteilyilmaisimiin, aktinideihin, plasmiin, ydinreaktoreihin, suojausmateriaaleihin, neutronien imeytymiseen ja muihin teknisiin suuntiin.

4 、 Ydinmateriaalien harvinaisten maametallien elementtien erityiset sovellukset ja avainpatenttitutkimus

Niistä ydinmateriaalien ydinfuusio- ja ydinfissioreaktiot ovat voimakkaita, ja materiaalien vaatimukset ovat tiukat. Tällä hetkellä voimareaktorit ovat pääasiassa ydinfissioreaktoreita, ja fuusioreaktoreita voidaan populorisoida suuressa mittakaavassa 50 vuoden kuluttua. Soveltaminenharvinainen maametallielementit reaktorirakenteellisissa materiaaleissa; Erityisissä ydinkemiallisissa kentissä harvinaisia ​​maa -aineita käytetään pääasiassa kontrollitankoissa; Lisäksi,skandiumon käytetty myös radiokemiassa ja ydinteollisuudessa.

（1） palavana myrkky- tai ohjaustangona neutronitason ja ydinreaktorin kriittisen tilan säätämiseksi

Voimareaktorissa uusien ytimien alkuperäinen jäännösreaktiivisuus on yleensä suhteellisen korkea. Erityisesti ensimmäisen tankkausjakson varhaisessa vaiheessa, kun kaikki ytimen ydinpolttoaineet ovat uusia, jäljellä oleva reaktiivisuus on korkein. Tässä vaiheessa luottaen yksinomaan ohjaustangon lisäämiseen jäännösreaktiivisuuden kompensoimiseksi tuottaisi enemmän kontrollitangoja. Jokainen ohjaustanko (tai sauva -nippu) vastaa kompleksisen ajomekanismin käyttöönottoa. Toisaalta tämä lisää kustannuksia, ja toisaalta paine -aluksen pään aukkojen avaaminen voi johtaa rakenteellisen lujuuden vähentymiseen. Se ei ole vain taloudellista, mutta sillä ei myöskään saa olla tiettyä määrää huokoisuutta ja rakenteellista lujuutta paineastian päässä. Kuitenkin lisäämättä kontrollitankoja, on kuitenkin tarpeen lisätä kemiallisten kompensoivien toksiinien (kuten boorihappoa) konsentraatiota jäljellä olevan reaktiivisuuden kompensoimiseksi. Tässä tapauksessa boorikonsentraation on helppo ylittää kynnysarvo, ja moderaattorin lämpötilakerroin tulee positiiviseksi.

Edellä mainittujen ongelmien välttämiseksi voidaan yleensä käyttää palavien toksiinien, ohjaustankojen ja kemiallisen kompensointikontrollien yhdistelmää.

（2） lisäaineena reaktorirakenteellisten materiaalien suorituskyvyn parantamiseksi

Reaktorit vaativat rakenteellisia komponentteja ja polttoaineelementtejä, joilla on tietty lujuus, korroosionkestävyys ja korkea lämpöstabiilisuus, samalla kun estävät fissiotuotteita pääsemästä jäähdytysnesteeseen.

1) .rare Earth Steel

Ydinreaktorissa on äärimmäiset fysikaaliset ja kemialliset olosuhteet, ja jokaisella reaktorin komponentilla on myös korkeat vaatimukset käytetylle erityiselle teräkselle. Harvinaisten maametallien elementeillä on erityisiä modifikaatiovaikutuksia teräkseen, pääasiassa puhdistamiseen, metamorfismiin, mikropelaamiseen ja korroosionkestävyyden parantamiseen. Harvinaisia ​​maametallit, jotka sisältävät teräksiä, käytetään myös laajasti ydinreaktoreissa.

① Puhdistusvaikutus: Nykyinen tutkimus on osoittanut, että harvinaisilla maametallilla on hyvä puhdistusvaikutus sulaan teräkseen korkeissa lämpötiloissa. Tämä johtuu siitä, että harvinaiset maametallit voivat reagoida haitallisten elementtien, kuten hapen ja rikin kanssa sulaan teräksessä korkean lämpötilan yhdisteiden tuottamiseksi. Korkean lämpötilan yhdisteet voidaan saostua ja purkaa sulkeumien muodossa ennen sulan teräskonsenseja, vähentäen siten sulan teräksen epäpuhtauspitoisuutta.

② Metamorfismi: Toisaalta harvinaisen maametaisen reaktiolla syntyneet oksidit, sulfidit tai oksisulfidit, joilla on haitallisia elementtejä, kuten happi ja rikki, voidaan pitää osittain sulaan teräksessä ja tulla teräksen inclusions -tiedostoihin, joilla on korkea sulamispiste. Näitä sulkeumia voidaan käyttää heterogeenisinä ytimenmuodostuskeskuksina sulan teräksen kiinteyttämisen aikana parantaen siten teräksen muotoa ja rakennetta.

③ Mikropelastuksista: Jos harvinaisen maametallien lisäämistä lisätään edelleen, jäljellä oleva harvinainen maametalli liukenee teräkseen edellä mainitun puhdistuksen ja metamorfismin valmistumisen jälkeen. Koska harvinaisten maametallien atomisäde on suurempi kuin rautatomin, harvinaisella maametallilla on suurempi pinta -aktiivisuus. Sulan teräksen jähmettymisprosessin aikana harvinaisten maametallien elementit rikastuvat viljarajaan, mikä voi paremmin vähentää epäpuhtauselementtien segregaatiota viljarajalla, vahvistaen siten kiinteää liuosta ja sen roolia. Toisaalta harvinaisten maametallien vedyn varastointiominaisuuksien vuoksi ne voivat absorboida vety teräksessä, parantaen siten tehokkaasti teräksen vedynhallintailmiötä.

④ Korroosionkestävyyden parantaminen: Harvinaisten maametallien elementtien lisääminen voi myös parantaa teräksen korroosionkestävyyttä. Tämä johtuu siitä, että harvinaisten maametallien omahakemistopotentiaalilla on korkeampi kuin ruostumaton teräs. Siksi harvinaisten maametallien lisääminen voi lisätä ruostumattoman teräksen itsekorroosiopotentiaalia parantaen siten terästen vakautta syövyttävissä väliaineissa.

2). Keskeinen patenttitutkimus

Keskeinen patentti: Oksididispersion keksintöpatentti vahvisti matalaa aktivaatioterästä ja sen valmistusmenetelmää metallien instituutin, Kiinan tiedeakatemian toimesta

Patentti tiivistelmä: Edellyttäen, että oksididispersio vahvistettu alhainen aktivaatioteräs, joka sopii fuusioreaktoreille ja sen valmistusmenetelmälle, karakterisoituna siinä, että alhaisen aktivaatioteräksen kokonaismassan kokonaismassassa on: matriisi on Fe, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ W ≤ 1,55%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,03%, 0,03%, 0,15% ≤ 0,15%, 0,15%, 0,15%, 0,15%, 1,15%, 0,15%, 1,15%, 0,15%, 0,15%, 0,15%, 0,15%. ≤ Ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%ja 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Valmistusprosessi: Fe-CR-WV-ta-mn Äiti-seoksen sulatus, jauhemääritys, äidin seoksen ja korkean energian pallomyllytysY2O3 -nanohiukkasSekoitettu jauhe, jauhe, joka vaippaa uuttoa, jähmettymismuovausta, kuumaa rullausta ja lämpökäsittelyä.

Harvinainen maametallimenetelmä: Lisää nanomittakaavaY2O3Hiukkaset vanhempien seoksen atomisoituun jauheen korkean energian pallojauhoon, pallojen jauhamisaineen ollessa φ 6 ja φ 10 sekoitettua kovaa teräspalloa, pallomyllyn ilmakehän ollessa 99,99% argonikaasua, pallamateriaalimassasuhde (8-10): 1, pallomyrkimysaika 40-70 tuntia ja kiertonopeus 350-500 R/min.

3）

① Neutronisäteilysuojan periaate

Neutronit ovat atomien ytimien komponentteja, joiden staattinen massa on 1,675 × 10-27 kg, mikä on 1838 kertaa elektroninen massa. Sen säde on noin 0,8 × 10-15m, kokoinen kuin protoni, samanlainen kuin y-säteet ovat yhtä latautumattomia. Kun neutronit ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa, ne ovat pääasiassa vuorovaikutuksessa ytimen sisällä olevien ydinvoimien kanssa eivätkä ole vuorovaikutuksessa ulkoreunan elektronien kanssa.

Ydinenergia- ja ydinreaktoritekniikan nopean kehityksen myötä ydinsäteilyturvallisuus- ja ydinsäteilysuojalle on kiinnitetty yhä enemmän huomiota. Säteilysuojan vahvistamiseksi säteilylaitteiden ylläpito- ja onnettomuuksien pelastajille jo pitkään harjoittajille on suuri tieteellinen merkitys ja taloudellinen arvo kevyiden suojauskomposiitien kehittäminen suojavaateille. Neutronisäteily on tärkein osa ydinreaktorisäteilyä. Yleensä suurin osa neutroneista, jotka ovat suorassa kosketuksessa ihmisten kanssa, on hidastunut vähäenergisiin neutroneihin ydinreaktorin sisällä olevien rakennemateriaalien neutronisuojavaikutuksen jälkeen. Pienen energian neutronit törmäävät ytimiin, joilla on alhaisempi atomiluku elastisesti ja edelleen moderoituneita. Moderoituneet lämpöneutronit absorboivat elementeillä, joilla on suurempi neutronien absorptiopoikkileikkaukset, ja lopulta neutronien suojaaminen saavutetaan.

② Tärkein patenttitutkimus

Huokoiset ja orgaaniset epäorgaaniset hybridi-ominaisuudetharvinainen maametallikerrosgadoliiniPohjaiset metalliorgaaniset luurankomateriaalit lisäävät niiden yhteensopivuutta polyeteenin kanssa, mikä edistää syntetisoituja komposiittimateriaaleja, joilla on korkeampi gadoliinipitoisuus ja gadoliinium -dispersio. Korkea gadoliniumpitoisuus ja dispersio vaikuttavat suoraan komposiittimateriaalien neutronisuojauskykyyn.

Keskeinen patentti: Hefei Material Science Institute, Kiinan tiedeakatemia, Gadoliniumpohjaisen orgaanisen kehyksen komposiittisuojausmateriaalin keksintöpatentti ja sen valmistusmenetelmä

Patentti Tiivistelmä: Gadoliniumpohjainen metalli orgaaninen luuranko komposiittisuojausmateriaali on komposiittimateriaali, joka on muodostettu sekoittamallagadoliiniPohjainen metalli orgaaninen luurankosateriaali, jonka polyeteeni on painosuhteessa 2: 1: 10 ja muodostaa sen liuottimen haihdutuksen tai kuuman puristamisen kautta. Gadoliniumpohjaiset metalliorgaaniset luurankokomposiittisuojamateriaalit ovat korkea lämpöstabiilisuus ja lämpöneutronien suojauskyky.

Valmistusprosessi: erilaisten valitseminengadoliniummetalliSuolat ja orgaaniset ligandit erityyppisten gadoliinipohjaisten metalliogaanisten luurankojen materiaalien valmistelemiseksi ja syntetisoimiseksi, pesemiseksi pienillä metanolilla, etanolilla tai vedellä sentrifugoimalla ja aktivoimalla ne korkeassa lämpötilassa tyhjiöolosuhteissa, jotta voidaan poistaa jäännösluettelon jäännösmateriaalien huokoset kokonaan; Vaiheessa valmistettua gadoliinipohjaista organometallista luurankomateriaalia sekoitetaan polyeteeniemuliorilla suurella nopeudella tai ultraäänisesti tai askeleessa valmistettua gadoliinipohjaista organometallista luurankomateriaalia sekoitetaan ultrakohtaiseen molekyylipainoiseen polyetyleeniin korkeassa lämpötilassa, kunnes sekoitetaan täysin; Aseta tasaisesti sekoitettu gadoliinipohjainen metalli orgaaninen luuranko-/polyeteeniseos muottiin ja hanki muodostettu gadoliinipohjainen metalli orgaaninen luuranko komposiittisuojausmateriaali kuivaamalla edistämään liuottimen haihdutusta tai kuumaa puristamista; Valmistetulla gadoliinipohjaisella metallisella orgaanisella luurankokomposiittisuojausmateriaalilla on merkittävästi parantunut lämmönkestävyys, mekaaniset ominaisuudet ja erinomaiset lämpöneutronien suojauskykyä verrattuna puhtaisiin polyeteenimateriaaleihin.

Harvinainen maapallon lisäystila: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 tai GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 huokoinen kiteinen koordinaatiopolymeeri, joka sisältää gadoliinia, joka saadaan koordinaatiopolymeroinnillaGD (NO3) 3 • 6H2O tai GDCL3 • 6H2Oja orgaaninen karboksylaattiligandi; Gadoliniumpohjaisen metalliogaanisen luurankon materiaalin koko on 50 nm-2 μm ； gadoliiniumpohjainen metalli orgaaniset luurankomateriaalit ovat erilaisia ​​morfologioita, mukaan lukien rakeiset, sauvanmuotoiset tai neulanmuotoiset muodot.

（4）Skandiumradiokemiassa ja ydinteollisuudessa

Skandiummetallilla on hyvä lämpöstabiilisuus ja vahva fluorin absorptio suorituskyky, mikä tekee siitä välttämättömän materiaalin atomienergiateollisuudessa.

Keskeinen patentti: Kiinan ilmailualan kehittäminen Peking

Patentti tiivistelmä: alumiinisi sinkkiMagnesium skandiumseosja sen valmistusmenetelmä. Alumiinin sinkkien magnesiumkandiumseoksen 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, muutkin ≤ 0,05%, muutkin ≤ 0,4%. 0,15%, ja jäljellä oleva määrä on Al. Tämän alumiinin sinkkimagnesiumkandiumseosmateriaalin mikrorakenne on tasainen ja sen suorituskyky on vakaa, lopullinen vetolujuus yli 400mPa, satolujuus yli 350 mPa ja vetolujuus yli 370MPA hitsatuille nivelille. Materiaalituotteita voidaan käyttää rakenneosina ilmailu-, ydinteollisuudessa, kuljetuksissa, urheiluvälineissä, aseissa ja muissa aloissa.

Valmistusprosessi: Vaihe 1, ainesosa yllä olevan seoskoostumuksen mukaan; Vaihe 2: Sulata sulatusuunissa lämpötilassa 700 ℃ ~ 780 ℃; Vaihe 3: Tarkista täysin sulatettu metallnestys ja ylläpitä metallin lämpötilaa alueella 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​jalostuksen aikana; Vaihe 4: Jäljentämisen jälkeen sen pitäisi olla täysin seistä paikallaan; Vaihe 5: Täysin seisomisen jälkeen, aloita valu, ylläpitä uunin lämpötilaa alueella 690 ℃ ~ 730 ℃ ja valunopeus on 15-200 mm/minuutti; Vaihe 6: Suorita homogenisoinnin hehkutuskäsittely seoksen harrasta lämmitysuunissa, homogenisointilämpötila 400 ℃ ~ 470 ℃; Vaihe 7: Kuori homogenisoitu harko ja suorita kuuma suulakepuristus tuottaaksesi profiileja, joiden seinämän paksuus on yli 2,0 mm. Suulakepuristusprosessin aikana aihiota tulisi ylläpitää lämpötilassa 350 - 410 ℃; Vaihe 8: Purista liuoksen sammutuskäsittelyn profiili liuoksen lämpötilassa 460-480 ℃; Vaihe 9: 72 tunnin kiinteän liuoksen sammutuksen jälkeen pakota ikääntyminen manuaalisesti. Manuaalinen voiman ikääntymisjärjestelmä on: 90 ~ 110 ℃/24 tuntia+170 ~ 180 ℃/5 tuntia tai 90 ~ 110 ℃/24 tuntia+145 ~ 155 ℃/10 tuntia.

5 、 Tutkimusyhteenveto

Kaiken kaikkiaan harvinaisia ​​maametallia käytetään laajasti ydinfuusiossa ja ydinfissiossa, ja niissä on monia patenttiasetteluja sellaisiin teknisiin suuntiin kuin röntgenvirhe, plasman muodostuminen, kevyen veden reaktori, transuraani, uranyyli ja oksidijauhe. Reaktorimateriaalien osalta harvinaisia ​​maamarjoja voidaan käyttää reaktorirakenteellisina materiaaleina ja niihin liittyvinä keraamisina eristysmateriaaleina, kontrollimateriaaleissa ja neutronisäteilysuojausmateriaaleissa.