1、 Ydinmateriaalien määritelmä
Laajassa merkityksessä ydinmateriaali on yleinen termi materiaaleille, joita käytetään yksinomaan ydinteollisuudessa ja ydintieteellisessä tutkimuksessa, mukaan lukien ydinpolttoaine ja ydintekniset materiaalit eli ei-ydinpolttoainemateriaalit.
Yleisesti sanotuilla ydinmateriaaleilla tarkoitetaan pääasiassa reaktorin eri osissa käytettyjä materiaaleja, jotka tunnetaan myös reaktorimateriaaleina.Reaktorin materiaaleja ovat ydinpolttoaine, joka läpikäy ydinfission neutronipommituksen alaisena, ydinpolttoainekomponenttien päällystemateriaalit, jäähdytysaineet, neutronien hidastajat (moderaattorit), säätösauvamateriaalit, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja, ja heijastavat materiaalit, jotka estävät neutronien vuotamisen reaktorin ulkopuolelle.
2、 Harvinaisten maametallien resurssien ja ydinvoimavarojen välinen suhde
Monatsiitti, jota kutsutaan myös fosfokeriitiksi ja fosfokeriittiksi, on yleinen lisämineraali keskituotteessa happamassa magmaisessa kivessä ja metamorfisessa kivessä.Monatsiitti on yksi harvinaisten maametallimalmin tärkeimmistä mineraaleista, ja sitä esiintyy myös joissakin sedimenttikivissä.Ruskehtavan punainen, keltainen, joskus ruskeankeltainen, rasvainen kiilto, täydellinen halkeama, Mohsin kovuus 5-5,5 ja ominaispaino 4,9-5,5.
Joidenkin Placer-tyyppisten harvinaisten maametalliesiintymien pääasiallinen malmimineraali Kiinassa on monatsiitti, joka sijaitsee pääasiassa Tongchengissä, Hubeissa, Yueyangissa, Hunanissa, Shangraossa, Jiangxissa, Menghaissa, Yunnanissa ja Hein piirikunnassa Guangxissa.Placer-tyyppisten harvinaisten maametallien louhinnalla ei kuitenkaan usein ole taloudellista merkitystä.Yksinäiset kivet sisältävät usein heijastavia toriumelementtejä ja ovat myös kaupallisen plutoniumin päälähde.
3、 Yleiskatsaus harvinaisten maametallien käyttöön ydinfuusiossa ja ydinfissiossa patentin panoraamaanalyysin perusteella
Kun harvinaisten maametallien hakuelementtien avainsanat on laajennettu kokonaan, ne yhdistetään ydinfission ja ydinfuusion laajennusavaimiin ja luokitusnumeroihin ja haetaan Incopt-tietokannasta.Hakupäivä on 24. elokuuta 2020. 4837 patenttia saatiin yksinkertaisen perhefuusion jälkeen ja 4673 patenttia määritettiin keinotekoisen kohinanpoiston jälkeen.
Harvinaisten maametallien patenttihakemuksia ydinfission tai ydinfuusion alalla on jaettu 56 maahan/alueelle, pääasiassa Japaniin, Kiinaan, Yhdysvaltoihin, Saksaan ja Venäjälle jne. Huomattava määrä patentteja haetaan PCT:n muodossa. , josta kiinalaiset patenttiteknologiasovellukset ovat lisääntyneet varsinkin vuodesta 2009 lähtien ja ovat siirtymässä nopeaan kasvuvaiheeseen, ja Japani, Yhdysvallat ja Venäjä ovat jatkaneet asettelua tällä alalla useiden vuosien ajan (kuva 1).
Kuva 1 Harvinaisten maametallien soveltamiseen liittyvien teknologiapatenttien soveltamissuuntaus ydinfissiossa ja ydinfuusiossa maissa/alueilla
Teknisten teemojen analyysistä nähdään, että harvinaisten maametallien soveltaminen ydinfuusion ja -fissiossa keskittyy polttoaine-elementteihin, tuikeilmaisimiin, säteilyilmaisimiin, aktinideihin, plasmoihin, ydinreaktoreihin, suojamateriaaleihin, neutronien absorptioon ja muihin teknisiin suuntiin.
4. Ydinmateriaalien harvinaisten maametallien erityissovellukset ja avainpatenttitutkimus
Niistä ydinfuusio- ja ydinfissioreaktiot ydinmateriaaleissa ovat intensiivisiä ja materiaaleja koskevat vaatimukset ovat tiukat.Tällä hetkellä voimareaktorit ovat pääosin ydinfissioreaktoreita, ja fuusioreaktorit voivat tulla suosituksi suuressa mittakaavassa 50 vuoden kuluttua.Sovellusharvinainen maaelementit reaktorin rakennemateriaaleissa;Erityisillä ydinkemian aloilla harvinaisia maametallielementtejä käytetään pääasiassa säätösauvoissa;Lisäksi,skandiumon käytetty myös radiokemiassa ja ydinteollisuudessa.
(1) Palavana myrkkynä tai ohjaussauvana neutronitason ja ydinreaktorin kriittisen tilan säätämiseen
Tehoreaktoreissa uusien sydänten alkuperäinen jäännösreaktiivisuus on yleensä suhteellisen korkea.Erityisesti ensimmäisen tankkausjakson alkuvaiheessa, kun kaikki ydinpolttoaine on uutta, jäljellä oleva reaktiivisuus on suurin.Tässä vaiheessa pelkkä säätösauvojen lisääminen jäännösreaktiivisuuden kompensoimiseksi ottaisi käyttöön enemmän säätösauvoja.Jokainen ohjaustanko (tai sauvanippu) vastaa monimutkaisen käyttömekanismin käyttöönottoa.Toisaalta tämä lisää kustannuksia, ja toisaalta paineastian kannessa olevien reikien avaaminen voi johtaa rakenteellisen lujuuden heikkenemiseen.Se ei ole pelkästään epätaloudellista, vaan se ei myöskään saa olla tiettyä huokoisuutta ja rakenteellista lujuutta paineastian päässä.Säätösauvoja lisäämättä on kuitenkin tarpeen lisätä kemiallisesti kompensoivien toksiinien (kuten boorihapon) pitoisuutta jäljellä olevan reaktiivisuuden kompensoimiseksi.Tällöin boorikonsentraation on helppo ylittää kynnysarvon ja hidastimen lämpötilakerroin tulee positiiviseksi.
Edellä mainittujen ongelmien välttämiseksi torjuntaan voidaan yleensä käyttää palavien toksiinien, kontrollisauvojen ja kemiallisen kompensointikontrollin yhdistelmää.
(2) Lisäaineena reaktorin rakennemateriaalien suorituskyvyn parantamiseksi
Reaktorit vaativat rakenneosilta ja polttoaine-elementeiltä tietyn tason lujuutta, korroosionkestävyyttä ja korkeaa lämpöstabiilisuutta, samalla kun ne estävät fissiotuotteiden pääsyn jäähdytysnesteeseen.
1) .Harvinaisen maametallin teräs
Ydinreaktorissa on äärimmäiset fysikaaliset ja kemialliset olosuhteet, ja jokaisella reaktorin komponentilla on myös korkeat vaatimukset käytetylle erikoisteräkselle.Harvinaisilla maametallielementeillä on erityisiä modifikaatiovaikutuksia teräkseen, mukaan lukien pääasiassa puhdistus, muodonmuutos, mikroseostus ja korroosionkestävyyden parantaminen.Harvinaisia maametallia sisältäviä teräksiä käytetään laajalti myös ydinreaktoreissa.
① Puhdistusvaikutus: Nykyiset tutkimukset ovat osoittaneet, että harvinaisilla maametallilla on hyvä puhdistava vaikutus sulaan teräkseen korkeissa lämpötiloissa.Tämä johtuu siitä, että harvinaiset maametallit voivat reagoida haitallisten elementtien, kuten hapen ja rikin, kanssa sulassa teräksessä muodostaen korkean lämpötilan yhdisteitä.Korkean lämpötilan yhdisteet voidaan saostaa ja poistaa sulkeumien muodossa ennen sulan teräksen tiivistymistä, mikä vähentää sulan teräksen epäpuhtauspitoisuutta.
② Metamorfismi: toisaalta oksidit, sulfidit tai oksisulfidit, jotka syntyvät sulassa teräksessä olevan harvinaisen maametallin reaktiossa haitallisten alkuaineiden, kuten hapen ja rikin kanssa, voivat jäädä osittain sulaan teräkseen ja niistä voi tulla teräksen sulkeumia, joilla on korkea sulamispiste .Näitä sulkeumia voidaan käyttää heterogeenisina ydintymiskeskuksina sulan teräksen jähmettymisen aikana, mikä parantaa teräksen muotoa ja rakennetta.
③ Mikroseos: jos harvinaisten maametallien lisäämistä lisätään entisestään, jäljelle jäänyt harvinainen maametalli liukenee teräkseen, kun edellä mainittu puhdistus ja metamorfia on suoritettu.Koska harvinaisen maametallin atomisäde on suurempi kuin rautaatomin, harvinaisten maametallien pinta-aktiivisuus on korkeampi.Sulan teräksen jähmettymisprosessin aikana harvinaisia maametallielementtejä rikastetaan raerajalla, mikä voi paremmin vähentää epäpuhtauselementtien erottelua raerajalla, mikä vahvistaa kiinteää liuosta ja toimii mikroseostuksena.Toisaalta harvinaisten maametallien vedyn varastointiominaisuuksien vuoksi 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 maametallilla on suurempi itsekorroosiopotentiaali kuin ruostumattomalla teräksellä.Siksi harvinaisten maametallien lisääminen voi lisätä ruostumattoman teräksen itsekorroosiopotentiaalia, mikä parantaa teräksen stabiilisuutta syövyttävissä väliaineissa.
2).Avainpatenttitutkimus
Avainpatentti: Keksintöpatentti oksididispersiolla vahvistetulle matalaaktivaatioteräkselle ja sen valmistusmenetelmälle, Institute of Metals, Kiinan tiedeakatemia
Patentin tiivistelmä: Toimitetaan fuusioreaktoreihin soveltuva oksididispersiovahvistettu matalaaktivoitunut teräs ja sen valmistusmenetelmä, jolle on tunnusomaista, että seosalkuaineiden prosenttiosuus matalaaktivoituvan 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 ≤ O ≤ 0,5 % ja ≤ 0,2 % 0,5 % .
Valmistusprosessi: Fe-Cr-WV-Ta-Mn emäseoksen sulatus, jauheen sumutus, emoseoksen korkeaenergiainen kuulajyrsintä jaY2O3 nanohiukkanensekoitettu jauhe, jauheen kuoriuutto, kiinteytysmuovaus, kuumavalssaus ja lämpökäsittely.
Harvinaisten maametallien lisäysmenetelmä: Lisää nanomittakaavaY2O3hiukkaset perusseoksesta sumutettuun jauheeseen korkeaenergiseen kuulajyrsintään, kuulajyrsintäväliaineen ollessa Φ 6 ja Φ 10 sekoitettua kovaa teräskuulaa, kuulajauhatusilmakehässä 99,99 % argonkaasua, kuulamateriaalin massasuhde (8- 10): 1, kuulajyrsintäaika 40-70 tuntia ja pyörimisnopeus 350-500 r/min.
3) Käytetään neutronisäteilysuojamateriaalien valmistukseen
① Neutronisäteilysuojan periaate
Neutronit ovat atomiytimien komponentteja, joiden staattinen massa on 1,675 × 10-27 kg, mikä on 1838 kertaa elektronimassa.Sen säde on noin 0,8 × 10-15 m, kooltaan samanlainen kuin protoni, samanlainen kuin γ Säteet ovat yhtä varautumattomia.Kun neutronit ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa, ne ovat pääasiassa vuorovaikutuksessa ytimen sisällä olevien ydinvoimien kanssa, eivätkä ne ole vuorovaikutuksessa ulkokuoren elektronien kanssa.
Ydinenergian ja ydinreaktoriteknologian nopean kehityksen myötä ydinsäteilyturvallisuuteen ja ydinsäteilysuojeluun on kiinnitetty yhä enemmän huomiota.Säteilylaitteiden kunnossapitoa ja onnettomuuspelastusta pitkään harjoittaneiden toimijoiden säteilysuojan vahvistamiseksi on tieteellisesti suurta merkitystä ja taloudellista arvoa kehittää suojavaatetukseen kevyitä suojakomposiitteja.Neutronisäteily on ydinreaktorin säteilyn tärkein osa.Yleensä suurin osa ihmisen kanssa suorassa kosketuksessa olevista neutroneista on hidastunut matalaenergisiksi neutroneiksi ydinreaktorin sisällä olevien rakennemateriaalien neutronisuojausvaikutuksen jälkeen.Matalaenergiaiset neutronit törmäävät elastisesti pienempien atomilukujen ytimiin ja jatkavat hillitsemistä.Moderoituja lämpöneutroneja absorboivat elementit, joilla on suurempi neutroniabsorptiopoikkileikkaus, ja lopulta saavutetaan neutronien suojaus.
② Avainpatenttitutkimus
Huokoiset ja orgaanis-epäorgaaniset hybridiominaisuudetharvinaista maametalliagadoliniummetallipohjaiset orgaaniset runkomateriaalit lisäävät yhteensopivuutta polyeteenin kanssa, mikä edistää syntetisoitujen komposiittimateriaalien korkeampaa gadoliinipitoisuutta ja gadoliniumin dispersiota.Korkea gadoliinipitoisuus ja dispersio vaikuttavat suoraan komposiittimateriaalien neutronien suojausominaisuuksiin.
Avainpatentti: Hefei Institute of Material Science, Kiinan tiedeakatemia, keksintöpatentti gadoliinipohjaiselle orgaaniselle runkokomposiittisuojamateriaalille ja sen valmistusmenetelmälle
Patenttitiivistelmä: Gadoliinipohjainen metalli-orgaaninen luurankokomposiittisuojamateriaali on komposiittimateriaali, joka on muodostettu sekoittamallagadoliniummetallipohjainen orgaaninen runkomateriaali polyeteenillä painosuhteessa 2:1:10 ja muodostamalla se liuotinhaihduttamalla tai kuumapuristamalla.Gadoliinipohjaisilla metallirunkokomposiittisuojausmateriaaleilla on korkea lämpöstabiilisuus ja lämpöneutronien suojauskyky.
Valmistusprosessi: erilaisten valitseminengadolinium metallisuoloja ja orgaanisia ligandeja erityyppisten gadoliinipohjaisten metallisten orgaanisten runkomateriaalien valmistamiseksi ja syntetisoimiseksi, pesemällä ne pienillä metanolin, etanolin tai veden molekyyleillä sentrifugoimalla ja aktivoimalla ne korkeassa lämpötilassa tyhjiöolosuhteissa reagoimattomien jäännösraaka-aineiden poistamiseksi kokonaan gadoliinipohjaisten metallisten orgaanisten runkomateriaalien huokosissa;Vaiheessa valmistettua gadoliinipohjaista organometallirunkomateriaalia sekoitetaan polyeteeniveden kanssa suurella nopeudella tai ultraäänellä, tai vaiheessa valmistettu gadoliinipohjainen organometallirunkomateriaali sulasekoitetaan ultrakorkean molekyylipainon polyeteenin kanssa korkeassa lämpötilassa, kunnes se on täysin sekoittunut;Aseta tasaisesti sekoitettu gadoliniumpohjainen metallirunkomateriaali/polyeteeniseos muottiin ja muodosta muodostunut gadoliinipohjainen orgaaninen metallirunkokomposiittisuojamateriaali kuivaamalla edistääksesi liuottimen haihtumista tai kuumapuristusta;Valmistetulla gadoliniumpohjaisella metallirunkokomposiittisuojamateriaalilla on huomattavasti parempi lämmönkestävyys, mekaaniset ominaisuudet ja ylivoimainen lämpöneutronien suojauskyky puhtaisiin polyeteenimateriaaleihin verrattuna.
Harvinaisten maametallien 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;Gadoliinipohjaisen metallisen orgaanisen runkomateriaalin koko on 50 nm-2 μm； Gadoliinipohjaisilla orgaanisilla metallirunkoaineilla on erilaisia morfologioita, mukaan lukien rakeinen, sauvamainen tai neulan muotoinen.
(4) SovellusScandiumradiokemiassa ja ydinteollisuudessa
Scandium-metallilla on hyvä lämmönkestävyys ja vahva fluorin absorptiokyky, mikä tekee siitä korvaamattoman materiaalin atomienergiateollisuudessa.
Avainpatentti: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, keksintöpatentti alumiinisinkin magnesiumskandiumseokselle ja sen valmistusmenetelmälle
Patenttitiivistelmä: alumiinisinkkimagnesiumskandiumseosja sen valmistusmenetelmä.Alumiinisinkin ja magnesiumin skandiumlejeeringin 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 yksittäiset ≤ 0,05 %, muut epäpuhtaudet yhteensä ≤ 0,15 % ja jäljellä oleva määrä on Al.Tämän alumiinisinkki-magnesium-skandiumlejeerinkimateriaalin mikrorakenne on tasainen ja sen suorituskyky on vakaa, ja sen lopullinen vetolujuus on yli 400 MPa, myötöraja yli 350 MPa ja hitsausliitosten vetolujuus yli 370 MPa.Materiaalituotteita voidaan käyttää rakenneelementteinä ilmailussa, ydinteollisuudessa, liikenteessä, urheiluvälineissä, aseissa ja muilla aloilla.
Valmistusprosessi: Vaihe 1, ainesosa yllä olevan seoskoostumuksen mukaisesti;Vaihe 2: Sulata sulatusuunissa lämpötilassa 700 ℃ ~ 780 ℃;Vaihe 3: Puhdista täysin sulanut metallineste ja pidä metallin lämpötila välillä 700 ℃ ~ 750 ℃ puhdistuksen aikana;Vaihe 4: Puhdistuksen jälkeen sen tulee antaa täysin seistä paikallaan;Vaihe 5: Täysin seisomisen jälkeen aloita valu, pidä uunin lämpötila välillä 690 ℃ ~ 730 ℃ ja valunopeus on 15-200 mm/minuutti;Vaihe 6: Suorita homogenisointihehkutuskäsittely seosvalanteelle lämmitysuunissa homogenointilämpötilalla 400 ℃ ~ 470 ℃;Vaihe 7: Kuori homogenoitu harkko ja suorita kuumaekstruusio tuottaaksesi profiileja, joiden seinämän paksuus on yli 2,0 mm.Ekstruusioprosessin aikana aihio on pidettävä lämpötilassa 350 ℃ - 410 ℃;Vaihe 8: Purista profiilia liuossammutuskäsittelyä varten liuoksen lämpötilalla 460-480 ℃;Vaihe 9: 72 tunnin kiinteän liuoksen sammutuksen jälkeen pakota vanhentaminen manuaalisesti.Manuaalinen vanhentamisjärjestelmä on: 90 ~ 110 ℃/24 tuntia + 170 ~ 180 ℃/5 tuntia tai 90 ~ 110 ℃/24 tuntia + 145 ~ 155 ℃/10 tuntia.
5、 Tutkimuksen yhteenveto
Kaiken kaikkiaan harvinaisia maametalleja käytetään laajalti ydinfuusion ja ydinfissiossa, ja niillä on monia patentteja sellaisissa teknisissä suunnissa kuin röntgenviritys, plasman muodostus, kevytvesireaktori, transuraani-, uranyyli- ja oksidijauhe.Reaktorimateriaaleista harvinaisia maametallia voidaan käyttää reaktorin rakennemateriaaleina ja niihin liittyvinä keraamisina eristemateriaaleina, ohjausmateriaaleina ja neutronisäteilysuojamateriaaleina.
Postitusaika: 26.5.2023