Toepassing van seldsame aardelemente in kernmateriaal

1 、 Definisie van kernmateriaal

In 'n breë sin is kernmateriaal die algemene term vir materiale wat uitsluitlik in die kernbedryf en kernwetenskaplike navorsing gebruik word, insluitend kernbrandstof- en kerningenieurswese, dit wil sê nie -kernbrandstofmateriaal.

Die algemeen verwys na kernmateriaal verwys hoofsaaklik na materiale wat in verskillende dele van die reaktor gebruik word, ook bekend as reaktormateriaal. Reaktormateriaal sluit in kernbrandstof wat kernsplitsing onder neutronbombardement, bekledingsmateriaal vir kernbrandstofkomponente, koelmiddels, neutronmoderators (moderators), beheerstaafmateriaal ondergaan wat neutrone en reflektiewe materiale sterk absorbeer wat neutronlek buite die reaktor voorkom.

2 、 CO -geassosieerde verwantskap tussen seldsame aardbronne en kernbronne

Monaziet, ook genoem fosfokeriet en fosfokeriet, is 'n algemene bykomstige mineraal in intermediêre suurstygende rots en metamorfe rots. Monaziet is een van die belangrikste minerale van seldsame aardmetaalerts, en bestaan ​​ook in sommige sedimentêre rots. Bruinerig, geel, soms bruinerig geel, met 'n vetterige glans, volledige splitsing, Mohs-hardheid van 5-5.5, en 'n spesifieke swaartekrag van 4.9-5.5.

Die belangrikste ertsmineraal van sommige seldsame aardafsettings in China is monaziet, hoofsaaklik geleë in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Moghai, Yunnan en die County, Guangxi. Die onttrekking van seldsame aardhulpbronne van die plek van die plek het egter dikwels nie ekonomiese belang nie. Solitêre klippe bevat dikwels refleksiewe toriumelemente en is ook die belangrikste bron van kommersiële plutonium.

3 、 Oorsig van seldsame aarde -toepassing in kernfusie en kernsplitsing gebaseer op patentpanoramiese analise

Nadat die sleutelwoorde van seldsame aardsoekelemente volledig uitgebrei is, word dit gekombineer met die uitbreidingsleutels en klassifikasiegetalle van kernsplitsing en kernfusie, en in die Incopt -databasis gesoek. Die soekdatum is 24 Augustus 2020. 4837 patente is verkry na eenvoudige samesmelting van die gesin, en 4673 patente is bepaal na kunsmatige geraasvermindering.

Skaars aardepatentaansoeke op die gebied van kernsplitsing of kernfusie word in 56 lande/streke versprei, hoofsaaklik gekonsentreer in Japan, China, die Verenigde State, Duitsland en Rusland, ens. 'N Aantal patente word toegepas in die vorm van PCT, waarvan die Chinese patenttegnologie toegeneem het, veral sedert 2009, wat in 'n vinnige groeistadium ingegaan het, en Japan, die Verenigde State.

Figuur 1 Toepassingstendens van tegnologiese patente wat verband hou met seldsame aardtoediening in kernkernsplitsing en kernfusie in lande/streke

Uit die ontleding van tegniese temas kan gesien word dat die toepassing van seldsame aarde in kernfusie en kernsplitting fokus op brandstofelemente, scintillators, bestralingsdetektore, aktiniede, plasmas, kernreaktore, afskermmateriaal, neutronabsorpsie en ander tegniese aanwysings.

4 、 Spesifieke toepassings en sleutelpatentnavorsing van seldsame aardelemente in kernmateriaal

Onder hulle is kernsmelting en kernsplitsingreaksies in kernmateriaal intens, en die vereistes vir materiale is streng. Op die oomblik is kragreaktore hoofsaaklik kernsplittingsreaktore, en fusiereaktore kan na 50 jaar op groot skaal gewild wees. Die toepassing vanskaars aardeelemente in reaktorstrukturele materiale; In spesifieke kernchemiese velde word seldsame aardelemente hoofsaaklik in kontrole -stawe gebruik; Daarbenewens,skandiumis ook in radiochemie en kernbedryf gebruik.

（1） As brandbare gif of kontrolestaaf om neutronvlak en 'n kritieke toestand van kernreaktor aan te pas

In kragreaktors is die aanvanklike residuele reaktiwiteit van nuwe kerns oor die algemeen relatief hoog. Veral in die vroeë stadiums van die eerste brandstofsiklus, wanneer alle kernbrandstof in die kern nuut is, is die oorblywende reaktiwiteit die hoogste. Op hierdie punt sou u slegs op die verhoging van die kontrole -stawe om die residuele reaktiwiteit te vergoed, meer kontrole -stawe inbring. Elke kontrolestaaf (of staafbundel) stem ooreen met die bekendstelling van 'n komplekse rymeganisme. Aan die een kant verhoog dit die koste, en aan die ander kant kan die opening van gate in die drukvatkop lei tot 'n afname in strukturele sterkte. Nie net is dit onekonomies nie, maar dit mag ook nie 'n sekere hoeveelheid poreusheid en strukturele sterkte op die drukvaartuig hê nie. Sonder om die beheerstawe te verhoog, is dit egter nodig om die konsentrasie van chemiese kompenserende gifstowwe (soos boorsuur) te verhoog om die oorblywende reaktiwiteit te vergoed. In hierdie geval is dit maklik dat die boorkonsentrasie die drempel oorskry, en die temperatuurkoëffisiënt van die moderator sal positief word.

Om die bogenoemde probleme te vermy, kan 'n kombinasie van brandbare gifstowwe, kontrolestawe en chemiese kompensasiebeheer gewoonlik vir beheer gebruik word.

（2） As 'n dopmiddel om die werkverrigting van reaktorstrukturele materiale te verbeter

Reaktore benodig strukturele komponente en brandstofelemente om 'n sekere vlak van sterkte, korrosieweerstand en hoë termiese stabiliteit te hê, terwyl dit ook voorkom dat splitsingsprodukte die koelmiddel binnedring.

1) .Rare Earth Steel

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, metamorfisme, mikro -legging en die verbetering van korrosieweerstand. Skaars aarde wat staal bevat, word ook wyd gebruik in kernreaktors.

① Suiweringseffek: Bestaande navorsing het getoon dat seldsame aarde 'n goeie suiweringseffek op gesmelte staal by hoë temperature het. Dit is omdat seldsame aarde kan reageer met skadelike elemente soos suurstof en swael in die gesmelte staal om hoë temperatuurverbindings te genereer. Die hoë temperatuurverbindings kan neergesit word en in die vorm van insluitings voor die gesmelte staal kondenseer, en sodoende die onreinheidsinhoud in die gesmelte staal verminder.

② Metamorfisme: Aan die ander kant kan die oksiede, sulfiede of oksisulfiede wat deur die reaksie van seldsame aarde in die gesmelte staal gegenereer word, met skadelike elemente soos suurstof en swael gedeeltelik in die gesmelte staal behou word en word die insluiting van staal met 'n hoë smeltpunt. Hierdie insluitings kan as heterogene kernsentrums gebruik word tydens die stoling van die gesmelte staal, waardeur die vorm en struktuur van staal verbeter word.

③ Mikro -nageslag: As die toevoeging van seldsame aarde verder verhoog word, sal die oorblywende seldsame aarde in die staal opgelos word na bogenoemde suiwering en metamorfisme voltooi word. Aangesien die atoomradius van seldsame aarde groter is as die van die ysteratoom, het seldsame aarde 'n hoër oppervlakaktiwiteit. Tydens die stolingsproses van gesmelte staal word seldsame aardelemente verryk by die graangrens, wat die segregasie van onreinheidselemente by die graangrens beter kan verminder, en sodoende die soliede oplossing kan versterk en die rol van mikro -legerings kan speel. Aan die ander kant, as gevolg van die waterstofbergingseienskappe van seldsame aard, kan hulle waterstof in staal absorbeer en sodoende die waterstofverskynselverskynsel van staal effektief verbeter.

④ Verbeterende weerstand teen korrosie: die toevoeging van seldsame aardelemente kan ook die korrosieweerstand van staal verbeter. Dit is omdat seldsame aarde 'n hoër potensiaal vir selfkorrosie het as vlekvrye staal. Daarom kan die toevoeging van seldsame aarde die potensiaal vir selfkorrosie van vlekvrye staal verhoog en sodoende die stabiliteit van staal in korrosiewe media verbeter.

2). Belangrike patentstudie

Sleutelpatent: uitvindingspatent van 'n oksiedverspreiding versterk lae aktiveringstaal en die voorbereidingsmetode daarvan deur Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the matrix 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, poeier-atomisering, hoë-energie-balfrees van die moederlegering enY2O3 nanopartikelGemengde poeier, poeieromhulsel ekstraksie, stolingsvorming, warm rol en hittebehandeling.

Rare Aarde -toevoegingsmetode: voeg nanoskaal byY2O3Deeltjies aan die ouerlegering Atomiseerde poeier vir hoë-energie-balfrees, met die balfreesmedium wat φ 6 is en φ 10 gemengde harde staalballe, met 'n balmolende atmosfeer van 99,99% argongas, 'n massa-verhouding van die balmateriaal van (8-10): 1, 'n balmolende tyd van 40-70 uur, en 'n roterende snelheid van 350-500 r/min.

3）. Gebruik om neutronstralingsbeskermingsmateriaal te maak

① Beginsel van neutronstralingbeskerming

Neutrone is komponente van atoomkerne, met 'n statiese massa van 1,675 × 10-27 kg, wat 1838 keer die elektroniese massa is. Die radius is ongeveer 0,8 × 10-15 m, soortgelyk aan 'n proton, soortgelyk aan γ-strale is ewe onheil. As neutrone met materie in wisselwerking is, is hulle hoofsaaklik in wisselwerking met die kernkragte in die kern, en werk hulle nie met die elektrone in die buitenste dop nie.

Met die vinnige ontwikkeling van kernenergie en kernreaktortegnologie, is al hoe meer aandag geskenk aan die veiligheid van kernstraling en beskerming van kernstraling. Ten einde die bestralingsbeskerming te versterk vir operateurs wat al lank besig is met die instandhouding van bestralingstoerusting en ongelukke, is dit van groot wetenskaplike belang en ekonomiese waarde om liggewig -afskermingskomposiete vir beskermende klere te ontwikkel. Neutronstraling is die belangrikste deel van kernreaktorstraling. Oor die algemeen is die meeste neutrone in direkte kontak met mense vertraag na neutrone met 'n lae energie na die neutronskermeffek van die strukturele materiale in die kernreaktor. Neutrone met lae energie sal met kerne met 'n laer atoomgetal elasties bots en bly gemodereer word. Die gemodereerde termiese neutrone word opgeneem deur elemente met groter deursnitte van neutronabsorpsie, en uiteindelik sal neutronbeskerming bereik word.

② Belangrike patentstudie

Die poreuse en organiese-anorganiese baster-eienskappe vanRare Aarde -elementgadoliniumGebaseerde metaalorganiese skeletmateriaal verhoog hul verenigbaarheid met poliëtileen, wat die gesintetiseerde saamgestelde materiale bevorder om 'n hoër gadoliniuminhoud en gadoliniumverspreiding te hê. Die hoë gadoliniuminhoud en verspreiding sal die neutronskermprestasie van die saamgestelde materiale direk beïnvloed.

Sleutelpatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, Invention Patent of a Gadolinium Based Organic Framework Composite Shielding Material en sy voorbereidingsmetode

Patent Samevatting: Gadolinium gebaseerde metaal Organiese skelet Saamgestelde afskermingsmateriaal is 'n saamgestelde materiaal wat gevorm word deur vermenginggadoliniumGebaseerde metaal organiese skeletmateriaal met poliëtileen in 'n gewigsverhouding van 2: 1: 10 en vorm dit deur oplosmiddelverdamping of warm pers. Gadolinium gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermingsmateriaal het 'n hoë termiese stabiliteit en termiese neutronbeskermingsvermoë.

Vervaardigingsproses: kies verskillendegadoliniummetaalsoute en organiese ligande om verskillende soorte gadolinium -gebaseerde metaal -organiese skeletmateriaal voor te berei en te sintetiseer, om dit met klein molekules metanol, etanol of water te was deur sentrifugasie en aktiveer by hoë temperatuur onder vakuumtoestande om die residuele ongruide grondstowwe volledig te verwyder; Die Gadolinium-gebaseerde organometaal-skeletmateriaal wat in stap berei is, word met poliëtileen lotion geroer teen 'n hoë snelheid, of ultrasonies, of die Gadolinium-gebaseerde organometaal-skeletmateriaal wat in stap berei is, is smelt gemeng met ultra-hoë molekulêre gewig poliëtileen by hoë temperatuur tot volledig gemeng; Plaas die eenvormige gemengde gadolinium -gebaseerde metaalorganiese skeletmateriaal/poliëtileenmengsel in die vorm, en verkry die gevormde gadolinium -gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermingsmateriaal deur droog te word om oplosmiddel -verdamping of warm pers te bevorder; Die voorbereide gadolinium -gebaseerde metaalorganiese skelet -saamgestelde afskermingsmateriaal het die hitteweerstand, meganiese eienskappe en superieure termiese neutronbeskermingsvermoë aansienlik verbeter in vergelyking met suiwer poliëtileenmateriaal.

Seldsame aarde -toevoegingsmodus: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 of GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Poreuse kristallyne koördinasie -polimeer wat gadolinium bevat, wat verkry word deur koördinering polimerisasie van die koördinering van polimerisasie vanGD (NO3) 3 • 6H2O of GDCL3 • 6H2Oen organiese karboksilaatligand; Die grootte van Gadolinium-gebaseerde metaalorganiese skeletmateriaal is 50nm-2 μ m ； gadolinium-gebaseerde metaalorganiese skeletmateriaal het verskillende morfologieë, insluitend korrelvormige, staafvormige of naaldvormige vorms.

（4） Toepassing vanSkandiumin radiochemie en kernbedryf

Scandium metaal het 'n goeie termiese stabiliteit en sterk fluoorabsorpsieprestasie, wat dit 'n onmisbare materiaal in die atoomenergie -industrie maak.

Sleutelpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uitvindingspatent vir 'n aluminium sink magnesium -skandiumlegering en die voorbereidingsmetode daarvan

Patentopsomming: 'n aluminium sinkMagnesiumskandiumlegeringen sy voorbereidingsmetode. Die chemiese samestelling en gewigspersentasie van die aluminium sink magnesium -scandiumlegering 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 inpurities enkel ≤ 0,05%, ander Impurities ≤ 0,4%, ander inpuriteite enkel ≤ 0,05%, ander Impurities ≤ 0,4% 0,15%, en die oorblywende bedrag is al. Die mikrostruktuur van hierdie aluminium -sink -magnesiumskandiumlegeringsmateriaal is eenvormig en die werkverrigting daarvan is stabiel, met 'n uiteindelike treksterkte van meer as 400MPa, 'n opbrengsterkte van meer as 350MPa, en 'n treksterkte van meer as 370MPa vir gelaste gewrigte. Die materiaalprodukte kan as strukturele elemente in lug-, kernbedryf, vervoer, sportgoedere, wapens en ander velde gebruik word.

Vervaardigingsproses: Stap 1, bestanddeel volgens 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 omgewing van 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​tydens verfyn; Stap 4: Na verfyning moet dit ten volle toegelaat word om stil te staan; Stap 5: Begin die giet van die oond, na volledig staan, die oondtemperatuur binne die omgewing van 690 ℃ ~ 730 ℃, en die gietspoed is 15-200 mm/minuut; Stap 6: Voer homogenisasie -uitgloeiingsbehandeling op die legering in die verwarmingsoond uit, met 'n homogeniseringstemperatuur van 400 ℃ ~ 470 ℃; Stap 7: Skil die gehomogeniseerde ingot en voer warm ekstrudering uit om profiele met 'n muurdikte van meer as 2,0 mm te produseer. Tydens die extrusieproses moet die billet by 'n temperatuur van 350 ℃ tot 410 ℃ gehandhaaf word; Stap 8: Druk die profiel vir die behandeling van oplossings vir oplossings, met 'n oplossingstemperatuur van 460-480 ℃; Stap 9: Na 72 uur se soliede oplossing, dwing dit handmatig. Die handmatige verouderingstelsel 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 aarde wyd gebruik in kernfusie en kernsplitsing, en het baie patentuitlegte in tegniese rigtings soos röntgenfoto, plasmavorming, ligwaterreaktor, transuranium, uranyl en oksiedpoeier. Wat reaktormateriaal betref, kan seldsame aarde gebruik word as reaktorstrukturele materiale en verwante keramiese isolasiemateriaal, beheermateriaal en neutronstralingsbeskermingsmateriaal.