1、 Definisie van kernmateriaal
In 'n breë sin is kernmateriaal die algemene term vir materiale wat uitsluitlik in die kernindustrie en kernwetenskaplike navorsing gebruik word, insluitend kernbrandstof en kerningenieursmateriaal, dws nie-kernbrandstofmateriale.
Die algemeen na verwys kernmateriaal verwys hoofsaaklik na materiale wat in verskeie dele van die reaktor gebruik word, ook bekend as reaktormateriaal.Reaktormateriaal sluit in kernbrandstof wat kernsplyting ondergaan onder neutronbombardement, bekledingsmateriaal vir kernbrandstofkomponente, koelmiddels, neutronmoderators (moderators), beheerstaafmateriaal wat neutrone sterk absorbeer, en reflektiewe materiale wat neutronlekkasie buite die reaktor voorkom.
2、 Geassosieerde verhouding tussen seldsame aardhulpbronne en kernhulpbronne
Monasiet, ook genoem phosphocerite en phosphocerite, is 'n algemene bykomstige mineraal in intermediêre suur stollingsgesteentes en metamorfe gesteentes.Monasiet is een van die belangrikste minerale van seldsame aardmetaalerts, en kom ook voor in sommige sedimentêre gesteentes.Bruinrooi, geel, soms bruingeel, met 'n vetterige glans, volledige klowing, Mohs-hardheid van 5-5,5 en soortlike gewig van 4,9-5,5.
Die belangrikste ertsmineraal van een of ander plaser-tipe seldsame aardafsettings in China is monasiet, hoofsaaklik geleë in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan en He County, Guangxi.Die ontginning van plasertipe seldsame aardhulpbronne het egter dikwels nie ekonomiese betekenis nie.Solitêre klippe bevat dikwels refleksiewe toriumelemente en is ook die hoofbron van kommersiële plutonium.
3、 Oorsig van skaars aarde toepassing in kernfusie en kernsplyting gebaseer op patent panoramiese analise
Nadat die sleutelwoorde van seldsame aarde-soekelemente volledig uitgebrei is, word dit gekombineer met die uitbreidingsleutels en klassifikasienommers van kernsplyting en kernfusie, en deursoek in die Incopt-databasis.Die soekdatum is 24 Augustus 2020. 4837 patente is verkry ná eenvoudige gesinsamesmelting, en 4673 patente is bepaal ná kunsmatige geraasvermindering.
Skaars aard-patentaansoeke op die gebied van kernsplyting of kernfusie word in 56 lande/streke versprei, hoofsaaklik gekonsentreer in Japan, China, die Verenigde State, Duitsland en Rusland, ens. 'n Groot aantal patente word in die vorm van PCT toegepas. , waarvan Chinese patenttegnologie-aansoeke toegeneem het, veral sedert 2009, wat 'n vinnige groeistadium betree, en Japan, die Verenigde State en Rusland het vir baie jare voortgegaan om in hierdie veld uit te lê (Figuur 1).
Figuur 1 Toepassingstendens van tegnologiepatente wat verband hou met seldsame aarde-toepassing in kern kernsplyting en kernfusie in lande/streke
Uit die ontleding van tegniese temas kan gesien word dat die toepassing van seldsame aarde in kernfusie en kernsplyting fokus op brandstofelemente, sintillators, stralingsdetektors, aktiniede, plasmas, kernreaktore, afskermmateriale, neutronabsorpsie en ander tegniese rigtings.
4、 Spesifieke toepassings en sleutelpatentnavorsing van seldsame aardelemente in kernmateriale
Onder hulle is kernfusie en kernsplytingsreaksies in kernmateriaal intens, en die vereistes vir materiale is streng.Tans is kragreaktore hoofsaaklik kernsplytingsreaktore, en fusiereaktore kan na 50 jaar op groot skaal gewild gemaak word.Die toepassing vanseldsame aardeelemente in reaktorstruktuurmateriale;In spesifieke kernchemiese velde word seldsame aardelemente hoofsaaklik in beheerstawe gebruik;Daarbenewens,skandiumis ook in radiochemie en kernindustrie gebruik.
（1） As brandbare gif of beheerstaaf om neutronvlak en kritieke toestand van kernreaktor aan te pas
In kragreaktors is die aanvanklike oorblywende reaktiwiteit van nuwe kerne oor die algemeen relatief hoog.Veral in die vroeë stadiums van die eerste hervullingsiklus, wanneer alle kernbrandstof in die kern nuut is, is die oorblywende reaktiwiteit die hoogste.Op hierdie stadium sal die feit dat slegs op toenemende beheerstawe staatmaak om te kompenseer vir oorblywende reaktiwiteit meer beheerstawe inbring.Elke beheerstaaf (of staafbundel) stem ooreen met die bekendstelling van 'n komplekse aandryfmeganisme.Aan die een kant verhoog dit 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 word ook nie toegelaat om 'n sekere mate van porositeit en strukturele sterkte op die drukvatkop te hê nie.Sonder om die beheerstawe te verhoog, is dit egter nodig om die konsentrasie van chemiese kompenserende gifstowwe (soos boorsuur) te verhoog om te kompenseer vir die oorblywende reaktiwiteit.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 voorgenoemde 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 reaktorstruktuurmateriaal te verbeter
Reaktore benodig strukturele komponente en brandstofelemente om 'n sekere vlak van sterkte, korrosiebestandheid en hoë termiese stabiliteit te hê, terwyl dit ook verhoed dat splytingsprodukte 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 grondbevattende staal word ook wyd in kernreaktore gebruik.
① Suiweringseffek: Bestaande navorsing het getoon dat skaars aardes 'n goeie suiweringseffek het op gesmelte staal by hoë temperature.Dit is omdat skaars aardes met skadelike elemente soos suurstof en swael in die gesmelte staal kan reageer om hoëtemperatuurverbindings te genereer.Die hoë-temperatuur verbindings kan in die vorm van insluitings gepresipiteer en ontslaan word voordat die gesmelte staal kondenseer, en sodoende die onsuiwerheidsinhoud in die gesmelte staal verminder.
② Metamorfose: aan die ander kant kan die oksiede, sulfiede of oksisulfiede wat gegenereer word deur die reaksie van seldsame aarde in die gesmelte staal met skadelike elemente soos suurstof en swael gedeeltelik in die gesmelte staal behou word en insluitings van staal met 'n hoë smeltpunt word .Hierdie insluitings kan as heterogene kernvormingsentrums gebruik word tydens stolling van die gesmelte staal, en sodoende die vorm en struktuur van staal verbeter.
③ Mikrolegering: as die byvoeging van seldsame aarde verder verhoog word, sal die oorblywende seldsame aarde in die staal opgelos word nadat bogenoemde suiwering en metamorfose voltooi is.Aangesien die atoomradius van seldsame aarde groter is as dié van ysteratoom, het seldsame aarde hoër oppervlakaktiwiteit.Tydens die stollingsproses van gesmelte staal word seldsame aardelemente by die korrelgrens verryk, wat die segregasie van onsuiwerheidselemente by die korrelgrens beter kan verminder en sodoende die vaste oplossing versterk en die rol van mikrolegering speel.Aan die ander kant, as gevolg van die waterstofberging-eienskappe van skaars aardes, kan hulle waterstof in staal absorbeer, en sodoende die waterstofbroswordingsverskynsel van staal effektief verbeter.
④ Verbetering van korrosiebestandheid: Die byvoeging van seldsame aardelemente kan ook die korrosiebestandheid van staal verbeter.Dit is omdat skaars aardes 'n hoër selfkorrosiepotensiaal as vlekvrye staal het.Daarom kan die byvoeging van skaars aardes die selfkorrosiepotensiaal van vlekvrye staal verhoog, en sodoende die stabiliteit van staal in korrosiewe media verbeter.
2).Sleutelpatentstudie
Sleutelpatent: uitvindingspatent van 'n oksieddispersie-versterkte laeaktiveringstaal en die voorbereiding daarvan deur Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Patentuittreksel: Voorsien 'n oksieddispersie-versterkte laeaktiveringstaal wat geskik is vir samesmeltingsreaktore en die voorbereiding daarvan, gekenmerk deurdat die persentasie legeringselemente in die totale massa van die laeaktiveringstaal 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% en O3 ≤ 0,5% .
Vervaardigingsproses: Fe-Cr-WV-Ta-Mn moederlegering smelt, poeierverstuiving, hoë-energie balmaal van die moederlegering enY2O3 nanopartikelgemengde poeier, poeier omhul onttrekking, stolling giet, warm wals, en hitte behandeling.
Skaars aarde-byvoegingsmetode: Voeg nanoskaal byY2O3deeltjies aan die moederlegering verstomde poeier vir hoë-energie balmaal, met die balmaalmedium Φ 6 en Φ 10 gemengde harde staalballetjies, met 'n balmaal atmosfeer 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 materiaal vir die beskerming van neutronstraling 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.Sy radius is ongeveer 0,8 × 10-15m, soortgelyk in grootte aan 'n proton, soortgelyk aan γ Strale is ewe ongelaai.Wanneer neutrone met materie in wisselwerking tree, is hulle hoofsaaklik in wisselwerking met die kernkragte binne die kern, en nie met die elektrone in die buitenste dop nie.
Met die vinnige ontwikkeling van kernenergie en kernreaktortegnologie is al hoe meer aandag geskenk aan kernstralingsveiligheid en kernstralingsbeskerming.Ten einde stralingsbeskerming te versterk vir operateurs wat al lank besig is met instandhouding van bestralingstoerusting en ongelukredding, is dit van groot wetenskaplike belang en ekonomiese waarde om liggewig afskermingskomposiete vir beskermende klere te ontwikkel.Neutronbestraling is die belangrikste deel van kernreaktorbestraling.Oor die algemeen is die meeste van die neutrone in direkte kontak met mense vertraag tot lae-energie neutrone na die neutronafskermingseffek van die strukturele materiaal binne die kernreaktor.Lae-energie neutrone sal elasties met kerne met 'n laer atoomgetal bots en voortgaan om gemodereer te word.Die gematigde termiese neutrone sal geabsorbeer word deur elemente met groter neutronabsorpsie-dwarssnitte, en uiteindelik sal neutronafskerming bereik word.
② Sleutelpatentstudie
Die poreuse en organies-anorganiese baster eienskappe vanseldsame aarde elementgadoliniumgebaseerde metaal-organiese skeletmateriale verhoog hul verenigbaarheid met poliëtileen, wat die gesintetiseerde saamgestelde materiale bevorder om hoër gadoliniuminhoud en gadoliniumdispersie te hê.Die hoë gadoliniuminhoud en verspreiding sal die neutronafskermprestasie van die saamgestelde materiale direk beïnvloed.
Sleutelpatent: Hefei Instituut vir Materiaalwetenskap, Chinese Akademie vir Wetenskappe, uitvindingspatent van 'n gadolinium-gebaseerde organiese raamwerk saamgestelde afskermmateriaal en die voorbereiding daarvan
Patentopsomming: Gadolinium-gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermmateriaal 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 warmpers.Gadolinium-gebaseerde metaal organiese skelet saamgestelde afskermingsmateriaal het hoë termiese stabiliteit en termiese neutronafskermingsvermoë.
Vervaardigingsproses: kies andersgadolinium metaalsoute en organiese ligande om verskillende tipes gadolinium-gebaseerde metaal-organiese skeletmateriaal voor te berei en te sintetiseer, dit met klein molekules van metanol, etanol of water te was deur sentrifugering, en dit teen hoë temperatuur onder vakuumtoestande te aktiveer om die oorblywende ongereageerde grondstowwe ten volle te verwyder in die porieë van die gadolinium-gebaseerde metaal-organiese skeletmateriale;Die gadolinium-gebaseerde organometaalskeletmateriaal wat in stap voorberei is, word met poliëtileenroom teen 'n hoë spoed, of ultrasonies geroer, of die gadolinium-gebaseerde organometaalskeletmateriaal wat in stap voorberei is, word smelt gemeng met ultrahoë molekulêre gewig poliëtileen by hoë temperatuur 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 afskermmateriaal deur droog te word om oplosmiddelverdamping of warmpers te bevorder;Die voorbereide gadolinium-gebaseerde metaal-organiese skelet saamgestelde afskermmateriaal het aansienlik verbeterde hittebestandheid, meganiese eienskappe en uitstekende termiese neutronafskermingsvermoë in vergelyking met suiwer poliëtileenmateriale.
Seldsame aarde-toevoegingsmodus: 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 50nm-2 μm; Gadolinium-gebaseerde metaal-organiese skeletmateriaal het verskillende morfologieë, insluitend korrel-, staafvormige of naaldvormige vorms.
（4） Toepassing vanScandiumin Radiochemie en kernindustrie
Scandiummetaal 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 aluminiumsinkmagnesiumskandiumlegering en die voorbereiding daarvan
Patent opsomming: 'n Aluminium sinkmagnesium scandium legeringen die voorbereidingsmetode daarvan.Die chemiese samestelling en gewigspersentasie van die aluminium sink magnesium skandium legering 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-skandium-legeringsmateriaal is eenvormig en sy werkverrigting is stabiel, met 'n uiteindelike treksterkte van meer as 400MPa, 'n treksterkte van meer as 350MPa, en 'n treksterkte van meer as 370MPa vir gelaste lasse.Die materiaalprodukte kan as strukturele elemente in lugvaart, kernindustrie, vervoer, sportgoedere, wapens en ander velde gebruik word.
Vervaardigingsproses: Stap 1, bestanddeel volgens bogenoemde allooisamestelling;Stap 2: Smelt in die smeltoond by 'n temperatuur van 700 ℃ ~ 780 ℃;Stap 3: Verfyn die heeltemal gesmelte metaalvloeistof, en handhaaf die metaaltemperatuur binne die reeks van 700 ℃ ~ 750 ℃ tydens verfyning;Stap 4: Na verfyning moet dit ten volle toegelaat word om stil te staan;Stap 5: Nadat dit heeltemal gestaan het, begin giet, handhaaf die oondtemperatuur binne die reeks van 690 ℃ ~ 730 ℃, en die gietspoed is 15-200 mm/minuut;Stap 6: Voer homogeniseringsgloeibehandeling op die legeringsstaaf in die verhittingsoond uit, met 'n homogeniseringstemperatuur van 400 ℃ ~ 470 ℃;Stap 7: Skil die gehomogeniseerde blok en voer warm ekstrusie uit om profiele met 'n wanddikte van meer as 2,0 mm te produseer.Tydens die ekstrusieproses moet die blok by 'n temperatuur van 350 ℃ tot 410 ℃ gehandhaaf word;Stap 8: Druk die profiel vir oplossing blus behandeling, met 'n oplossing temperatuur van 460-480 ℃;Stap 9: Na 72 uur se vaste oplossing blus, forseer veroudering met die hand.Die handmatige kragverouderingstelsel is: 90~110 ℃/24 uur + 170~180 ℃/5 uur, of 90~110 ℃/24 uur +145~155 ℃/10 uur.
5、 Navorsingsopsomming
Oor die algemeen word skaars aardes wyd gebruik in kernfusie en kernsplyting, en het baie patentuitlegte in tegniese rigtings soos X-straalopwekking, plasmavorming, ligwaterreaktor, transuraan, uraniel en oksiedpoeier.Wat reaktormateriale betref, kan skaars aardes as reaktorstruktuurmateriaal en verwante keramiekisolasiemateriaal, beheermateriaal en neutronstralingbeskermingsmateriaal gebruik word.
Postyd: 26 Mei 2023