1. Definisie van kernmateriale
In 'n breë sin is kernmateriaal die algemene term vir materiale wat uitsluitlik in die kernbedryf en kernwetenskaplike navorsing gebruik word, insluitend kernbrandstof en kerningenieursmateriale, d.w.s. nie-kernbrandstofmateriale.
Die algemeen na verwys as kernmateriaal verwys hoofsaaklik na materiale wat in verskeie dele van die reaktor gebruik word, ook bekend as reaktormateriaal. Reaktormateriaal sluit in kernbrandstof wat kernsplyting onder neutronbombardement ondergaan, bekledingsmateriaal vir kernbrandstofkomponente, koelmiddels, neutronmoderators (moderators), beheerstaafmateriale wat neutrone sterk absorbeer, en reflektiewe materiale wat neutronlekkasie buite die reaktor voorkom.
2. Die ko-geassosieerde verhouding tussen seldsame aardbronne en kernbronne
Monasiet, ook genoem fosfosieriet en fosfosieriet, is 'n algemene bykomende mineraal in intermediêre suur stollingsgesteentes en metamorfe gesteentes. Monasiet is een van die hoofminerale van seldsame aardmetaalerts, en kom ook in sommige sedimentêre gesteentes voor. Bruinrooi, geel, soms bruingeel, met 'n vetterige glans, volledige splitsing, Mohs-hardheid van 5-5.5, en spesifieke swaartekrag van 4.9-5.5.
Die belangrikste ertsmineraal van sommige seldsame aardmetale van plasertipe in China is monasiet, hoofsaaklik geleë in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan en He County, Guangxi. Die ontginning van seldsame aardmetale van plasertipe het egter dikwels geen ekonomiese betekenis nie. Solitêre stene bevat dikwels refleksiewe toriumelemente en is ook die hoofbron van kommersiële plutonium.
3. Oorsig van seldsame aardmetale se toepassing in kernfusie en kernsplyting gebaseer op patentpanoramiese analise.
Nadat die sleutelwoorde van seldsame aardelemente volledig uitgebrei is, word hulle gekombineer met die uitbreidingsleutels en klassifikasienommers van kernsplyting en kernfusie, en in die Incopt-databasis deursoek. Die soekdatum is 24 Augustus 2020. 4837 patente is verkry na eenvoudige familiesamesmelting, en 4673 patente is bepaal na kunsmatige geraasvermindering.
Aansoeke vir seldsame aardmetale-patent op die gebied van kernsplyting of kernfusie is versprei in 56 lande/streke, hoofsaaklik gekonsentreer in Japan, China, die Verenigde State, Duitsland en Rusland, ens. 'n Aansienlike aantal patente word in die vorm van PCT aansoek gedoen, waarvan Chinese patenttegnologie-aansoeke toegeneem het, veral sedert 2009, en 'n vinnige groeifase betree het, en Japan, die Verenigde State en Rusland het al jare lank op hierdie gebied voortgegaan (Figuur 1).
Figuur 1 Toepassingstendens van tegnologiepatente wat verband hou met die toepassing van seldsame aardmetale in kernsplyting en kernfusie in lande/streke
Uit die ontleding van tegniese temas kan gesien word dat die toepassing van seldsame aardmetale in kernfusie en kernsplyting fokus op brandstofelemente, sintillators, stralingsdetektors, aktiniede, plasmas, kernreaktore, afskermingsmateriale, neutronabsorpsie en ander tegniese rigtings.
4、 Spesifieke Toepassings en Sleutelpatentnavorsing van Seldsame Aarde-elemente in Kernmateriale
Onder hulle is kernfusie en kernsplitsingsreaksies in kernmateriale intens, en die vereistes vir materiale is streng. Tans is kragreaktore hoofsaaklik kernsplitsingsreaktore, en fusiereaktore kan na 50 jaar op groot skaal gewild word. Die toepassing vanseldsame aardeelemente in reaktorstruktuurmateriale; In spesifieke kernchemiese velde word seldsame aardelemente hoofsaaklik in beheerstawe gebruik; Daarbenewens,skandiumis ook in radiochemie en kernbedryf gebruik.
(1) As brandbare gif of beheerstaaf om neutronvlak en kritieke toestand van kernreaktor aan te pas
In kragreaktore is die aanvanklike residuele reaktiwiteit van nuwe kerne oor die algemeen relatief hoog. Veral in die vroeë stadiums van die eerste hervullingssiklus, wanneer alle kernbrandstof in die kern nuut is, is die oorblywende reaktiwiteit die hoogste. Op hierdie stadium sou die verhoging van beheerstawe om vir residuele reaktiwiteit te kompenseer, meer beheerstawe inbring. Elke beheerstaaf (of staafbundel) stem ooreen met die inbring van 'n komplekse dryfmeganisme. Aan die een kant verhoog dit koste, en aan die ander kant kan die oopmaak van gate in die drukvatkop lei tot 'n afname in strukturele sterkte. Dit is nie net onekonomies nie, maar dit word ook nie toegelaat om 'n sekere hoeveelheid porositeit en strukturele sterkte op die drukvatkop te hê nie. Sonder om die beheerstawe te vergroot, is dit egter nodig om die konsentrasie van chemiese kompenserende gifstowwe (soos boorsuur) te verhoog om vir die oorblywende reaktiwiteit te kompenseer. In hierdie geval is dit maklik vir die boorkonsentrasie om die drempel te oorskry, en die temperatuurkoëffisiënt van die moderator sal positief word.
Om die bogenoemde probleme te vermy, kan 'n kombinasie van brandbare gifstowwe, beheerstawe en chemiese kompensasiebeheer oor die algemeen vir beheer gebruik word.
(2) As 'n doteermiddel om die werkverrigting van reaktorstrukturele materiale te verbeter
Reaktore vereis dat strukturele komponente en brandstofelemente 'n sekere vlak van sterkte, korrosieweerstand en hoë termiese stabiliteit het, terwyl dit ook verhoed dat splitsingsprodukte die koelmiddel binnedring.
1) Skaars aardstaal
Die kernreaktor het uiterste fisiese en chemiese toestande, en elke komponent van die reaktor het ook hoë vereistes vir die spesiale staal wat gebruik word. Skaars aardelemente het spesiale modifikasie-effekte op staal, hoofsaaklik insluitend suiwering, metamorfose, mikrolegering en verbetering van korrosiebestandheid. Skaars aardelemente wat staal bevat, word ook wyd gebruik in kernreaktore.
① Suiweringseffek: Bestaande navorsing het getoon dat seldsame aardmetale 'n goeie suiweringseffek op gesmelte staal by hoë temperature het. Dit is omdat seldsame aardmetale met skadelike elemente soos suurstof en swael in die gesmelte staal kan reageer om hoëtemperatuurverbindings te genereer. Die hoëtemperatuurverbindings kan neerslaan en in die vorm van insluitsels vrygestel word voordat die gesmelte staal kondenseer, waardeur die onsuiwerheidsinhoud in die gesmelte staal verminder word.
② Metamorfose: Aan die ander kant kan die oksiede, sulfiede of oksisulfiede wat gegenereer word deur die reaksie van seldsame aardmetale in die gesmelte staal met skadelike elemente soos suurstof en swael, gedeeltelik in die gesmelte staal behoue bly en insluitsels van staal met 'n hoë smeltpunt word. Hierdie insluitsels kan as heterogene nukleasiesentrums tydens stolling van die gesmelte staal gebruik word, wat die vorm en struktuur van staal verbeter.
③ Mikrolegering: indien die byvoeging van seldsame aarde verder verhoog word, sal die oorblywende seldsame aarde in die staal oplos nadat die bogenoemde suiwering en metamorfose voltooi is. Aangesien die atoomradius van seldsame aarde groter is as dié van die ysteratoom, het seldsame aarde hoër oppervlakaktiwiteit. Tydens die stollingsproses van gesmelte staal word seldsame aarde-elemente by die korrelgrens verryk, wat die segregasie van onsuiwerheidselemente by die korrelgrens beter kan verminder, waardeur die vaste oplossing versterk word en die rol van mikrolegering speel. Aan die ander kant, as gevolg van die waterstofbergingseienskappe van seldsame aardes, kan hulle waterstof in staal absorbeer, waardeur die waterstofbrosheidsverskynsel van staal effektief verbeter word.
④ Verbetering van korrosieweerstand: Die byvoeging van seldsame aardelemente kan ook die korrosieweerstand van staal verbeter. Dit is omdat seldsame aardelemente 'n hoër selfkorrosiepotensiaal het as vlekvrye staal. Daarom kan die byvoeging van seldsame aardelemente die selfkorrosiepotensiaal van vlekvrye staal verhoog, en sodoende die stabiliteit van staal in korrosiewe media verbeter.
2). Belangrike patentstudie
Sleutelpatent: uitvindingspatent van 'n oksieddispersieversterkte lae-aktiveringstaal en die voorbereidingsmetode daarvan deur die Instituut vir Metale, Chinese Akademie vir Wetenskappe
Patent-opsomming: 'n Oksieddispersie-versterkte lae-aktiveringsstaal geskik vir fusiereaktore en die voorbereidingsmetode daarvan word verskaf, gekenmerk deurdat die persentasie legeringselemente in die totale massa van die lae-aktiveringsstaal is: die matriks is 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%, en 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.
Vervaardigingsproses: Fe-Cr-WV-Ta-Mn moederlegering smelting, poeierverstuiwing, hoë-energie balmaal van die moederlegering enY2O3 nanopartikelgemengde poeier, poeieromhullende ekstraksie, stollingsvorming, warmrol en hittebehandeling.
Seldsame aardaardtoevoegingsmetode: Voeg nanoskaal byY2O3deeltjies aan die ouerlegering veratomiseerde poeier vir hoë-energie balmaal, met die balmaalmedium Φ 6 en Φ 10 gemengde harde staalballe, met 'n balmaalatmosfeer van 99.99% argongas, 'n balmateriaalmassaverhouding van (8-10): 1, 'n balmaaltyd van 40-70 uur, en 'n rotasiespoed van 350-500 r/min.
3). Word gebruik om neutronstralingsbeskermingsmateriaal te maak
① Beginsel van neutronstralingsbeskerming
Neutrone is komponente van atoomkerne, met 'n statiese massa van 1.675 × 10⁻⁶⁶ kg, wat 1838 keer die elektronmassa is. Die radius daarvan is ongeveer 0.8 × 10⁻⁶⁶⁶ m, soortgelyk in grootte aan 'n proton, soortgelyk aan γ-strale is ewe ongelaai. Wanneer neutrone met materie in wisselwerking tree, tree hulle hoofsaaklik in wisselwerking met die kernkragte binne die kern, en tree nie in wisselwerking met die elektrone in die buitenste skil nie.
Met die vinnige ontwikkeling van kernenergie en kernreaktortegnologie word al hoe meer aandag gegee aan kernstralingsveiligheid en kernstralingsbeskerming. Om stralingsbeskerming te versterk vir operateurs wat al lank betrokke is by die instandhouding van stralingstoerusting en ongeluksredding, is dit van groot wetenskaplike betekenis en ekonomiese waarde om liggewig-afskermende saamgestelde materiale vir beskermende klere te ontwikkel. Neutronstraling is die belangrikste deel van kernreaktorstraling. Oor die algemeen word die meeste neutrone in direkte kontak met mense vertraag na lae-energie neutrone na die neutronafskermende effek van die strukturele materiale binne die kernreaktor. Lae-energie neutrone sal elasties bots met kerne met 'n laer atoomgetal en steeds gemodereer word. Die gemodereerde termiese neutrone sal geabsorbeer word deur elemente met groter neutronabsorpsie-dwarssnitte, en uiteindelik sal neutronafskerming bereik word.
② Sleutelpatentstudie
Die poreuse en organies-anorganiese hibriede eienskappe vanseldsame aardelementgadoliniumMetaal-gebaseerde organiese skeletmateriale verhoog hul versoenbaarheid met poliëtileen, wat die gesintetiseerde saamgestelde materiale bevorder om hoër gadoliniuminhoud en gadoliniumdispersie te hê. Die hoë gadoliniuminhoud en -dispersie sal die neutronafskermingsprestasie van die saamgestelde materiale direk beïnvloed.
Sleutelpatent: Hefei Instituut vir Materiaalkunde, Chinese Akademie vir Wetenskappe, uitvindingspatent van 'n gadolinium-gebaseerde organiese raamwerk-saamgestelde afskermingsmateriaal en die voorbereidingsmetode daarvan.
Patent Abstract: Gadolinium-gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermingsmateriaal is 'n saamgestelde materiaal wat gevorm word deur vermenginggadoliniummetaal-organiese skeletmateriaal op basis van 'n gadolinium met poliëtileen in 'n gewigsverhouding van 2:1:10 en die vorming daarvan deur oplosmiddelverdamping of warmpersing. Gadolinium-gebaseerde metaal-organiese skelet-saamgestelde afskermingsmateriale het hoë termiese stabiliteit en termiese neutronafskermingsvermoë.
Vervaardigingsproses: die keuse van verskillendegadoliniummetaalsoute en organiese ligande om verskillende tipes gadolinium-gebaseerde metaal organiese skeletmateriale voor te berei en te sintetiseer, dit te was met klein molekules metanol, etanol of water deur sentrifugering, en dit by hoë temperatuur onder vakuumtoestande te aktiveer om die oorblywende ongereageerde grondstowwe in die porieë van die gadolinium-gebaseerde metaal organiese skeletmateriale volledig te verwyder; Die gadolinium-gebaseerde organometaal skeletmateriaal wat in stap voorberei is, word teen 'n hoë spoed of ultrasonies met poliëtileenlosie geroer, of die gadolinium-gebaseerde organometaal skeletmateriaal wat in stap voorberei is, word by hoë temperatuur met ultra-hoë molekulêre gewig poliëtileen gesmelt totdat dit volledig gemeng is; Plaas die eenvormig gemengde gadolinium-gebaseerde metaal organiese skeletmateriaal/poliëtileenmengsel in die vorm, en verkry die gevormde gadolinium-gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermingsmateriaal deur droog te maak om oplosmiddelverdamping of warmpersing te bevorder; Die voorbereide gadolinium-gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermingsmateriaal het aansienlik verbeterde hittebestandheid, meganiese eienskappe en superieure termiese neutronafskermingsvermoë in vergelyking met suiwer poliëtileenmateriale.
Seldsame aardmetale-addisiemodus: Gd2 (BHC) (H2O)6, Gd (BTC) (H2O)4 of Gd (BDC)1.5 (H2O)2 poreuse kristallyne koördinasiepolimeer wat gadolinium bevat, wat verkry word deur koördinasiepolimerisasie vanGd(NO3)3 • 6H2O of GdCl3 • 6H2Oen organiese karboksilaatligand; Die grootte van gadolinium-gebaseerde metaal organiese skeletmateriaal is 50 nm-2 μ m; Gadolinium-gebaseerde metaal organiese skeletmateriale het verskillende morfologieë, insluitend korrelvormige, staafvormige of naaldvormige vorms.
(4) Toepassing vanSkandiumin Radiochemie en kernbedryf
Skandiummetaal het goeie termiese stabiliteit en sterk fluoorabsorpsieprestasie, wat dit 'n onontbeerlike materiaal in die atoomenergiebedryf maak.
Sleutelpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uitvindingspatent vir 'n aluminium sink magnesium skandiumlegering en die voorbereidingsmetode daarvan
Patentabstrakt: 'n Aluminium sinkmagnesiumskandiumlegeringen die voorbereidingsmetode daarvan. Die chemiese samestelling en gewigspersentasie van die aluminium-sink-magnesium-skandiumlegering is: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, onsuiwerhede Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, ander onsuiwerhede enkel ≤ 0.05%, ander onsuiwerhede totaal ≤ 0.15%, en die oorblywende hoeveelheid is Al. Die mikrostruktuur van hierdie aluminium-sink-magnesium-skandiumlegeringsmateriaal is eenvormig en die werkverrigting daarvan is stabiel, met 'n uiteindelike treksterkte van meer as 400 MPa, 'n vloeigrens van meer as 350 MPa, en 'n treksterkte van meer as 370 MPa vir sweislasse. Die materiaalprodukte kan as strukturele elemente in lugvaart, kernbedryf, vervoer, sportgoedere, wapens en ander velde gebruik word.
Vervaardigingsproses: Stap 1, bestanddeel volgens die bogenoemde legeringsamestelling; Stap 2: Smelt in die smeltoond by 'n temperatuur van 700 ℃~780 ℃; Stap 3: Verfyn die volledig gesmelte metaalvloeistof en handhaaf die metaaltemperatuur binne die reeks van 700 ℃~750 ℃ tydens raffinering; Stap 4: Na raffinering moet dit heeltemal stilgestaan word; Stap 5: Nadat dit volledig staan, begin giet, handhaaf die oondtemperatuur binne die reeks van 690 ℃~730 ℃, en die gietspoed is 15-200 mm/minuut; Stap 6: Voer homogeniserings-uitgloeiingsbehandeling uit op die legeringstaaf in die verhittingsoond, met 'n homogeniseringstemperatuur van 400 ℃~470 ℃; Stap 7: Skil die gehomogeniseerde staaf af en voer warm ekstrusie uit om profiele met 'n wanddikte van meer as 2.0 mm te produseer. Tydens die ekstrusieproses moet die staaf by 'n temperatuur van 350 ℃ tot 410 ℃ gehou word; Stap 8: Druk die profiel vir oplossingblusbehandeling, met 'n oplossingstemperatuur van 460-480 ℃; Stap 9: Na 72 uur se vaste oplossingblus, forseer die veroudering met die hand. Die handmatige forseerverouderingstelsel is: 90~110 ℃/24 uur+170~180 ℃/5 uur, of 90~110 ℃/24 uur+145~155 ℃/10 uur.
5. Navorsingsopsomming
Oor die algemeen word seldsame aardmetale wyd gebruik in kernfusie en kernsplyting, en het baie patentuitlegte in tegniese rigtings soos X-straal-opwekking, plasmavorming, ligwaterreaktor, transuraan, uraniel en oksiedpoeier. Wat reaktormateriale betref, kan seldsame aardmetale gebruik word as reaktorstruktuurmateriale en verwante keramiek-isolasiemateriale, beheermateriale en neutronstralingsbeskermingsmateriale.
Plasingstyd: 26 Mei 2023