1. Definicija nuklearnih materijala
U širem smislu, nuklearni materijal je opći termin za materijale koji se koriste isključivo u nuklearnoj industriji i nuklearnim naučnim istraživanjima, uključujući nuklearno gorivo i materijale za nuklearno inženjerstvo, tj. nenuklearne gorivne materijale.
Uobičajeno nazivani nuklearni materijali uglavnom se odnose na materijale koji se koriste u različitim dijelovima reaktora, poznate i kao reaktorski materijali. Reaktorski materijali uključuju nuklearno gorivo koje se podvrgava nuklearnoj fisiji pod neutronskim bombardiranjem, materijale za oblaganje komponenti nuklearnog goriva, rashladna sredstva, moderatore neutrona, materijale kontrolnih šipki koji snažno apsorbiraju neutrone i reflektirajuće materijale koji sprječavaju curenje neutrona izvan reaktora.
2. Povezani odnos između resursa rijetkih zemalja i nuklearnih resursa
Monazit, također nazvan fosfocerit i fosfocerit, čest je pomoćni mineral u intermedijarno kiselim magmatskim stijenama i metamorfnim stijenama. Monazit je jedan od glavnih minerala ruda rijetkih zemnih metala, a postoji i u nekim sedimentnim stijenama. Smećkastocrvene, žute, ponekad smećkastožute boje, s masnim sjajem, potpunim cijepanjem, Mohsovom tvrdoćom od 5-5,5 i specifičnom težinom od 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekih nalazišta rijetkih zemalja tipa placer u Kini je monacit, koji se uglavnom nalazi u Tongchengu, Hubeiju, Yueyangu, Hunanu, Shangraou, Jiangxiju, Menghaju, Yunnanu i okrugu He u Guangxiju. Međutim, ekstrakcija resursa rijetkih zemalja tipa placer često nema ekonomski značaj. Usamljeno kamenje često sadrži refleksivne elemente torija i ujedno je glavni izvor komercijalnog plutonija.
3. Pregled primjene rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji na osnovu panoramske analize patenta
Nakon što se ključne riječi za pretragu rijetkih zemalja u potpunosti prošire, one se kombiniraju s ključevima za proširenje i klasifikacijskim brojevima nuklearne fisije i nuklearne fuzije te se pretražuju u bazi podataka Incopt. Datum pretrage je 24. august 2020. godine. 4837 patenata je dobiveno nakon jednostavnog spajanja porodica, a 4673 patenta je određeno nakon vještačkog smanjenja šuma.
Prijave patenata za rijetke zemlje u oblasti nuklearne fisije ili nuklearne fuzije raspoređene su u 56 zemalja/regija, uglavnom koncentrisanih u Japanu, Kini, Sjedinjenim Američkim Državama, Njemačkoj i Rusiji itd. Značajan broj patenata prijavljuje se u obliku PCT-a, od čega su kineske prijave za patentnu tehnologiju u porastu, posebno od 2009. godine, ulazeći u fazu brzog rasta, a Japan, Sjedinjene Američke Države i Rusija nastavljaju da se bave ovom oblasti dugi niz godina (Slika 1).
Slika 1 Trend prijave tehnoloških patenata vezanih za primjenu rijetkih zemalja u nuklearnoj fisiji i nuklearnoj fuziji u zemljama/regijama
Iz analize tehničkih tema može se vidjeti da se primjena rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji fokusira na gorivne elemente, scintilatore, detektore zračenja, aktinoide, plazme, nuklearne reaktore, zaštitne materijale, apsorpciju neutrona i druge tehničke pravce.
4. Specifične primjene i ključna patentna istraživanja rijetkih zemnih elemenata u nuklearnim materijalima
Među njima, reakcije nuklearne fuzije i nuklearne fisije u nuklearnim materijalima su intenzivne, a zahtjevi za materijale su strogi. Trenutno su energetski reaktori uglavnom nuklearni fisioni reaktori, a fuzijski reaktori bi mogli postati popularizirani u velikim razmjerima nakon 50 godina. Primjenarijetka zemljaelementi u materijalima za konstrukciju reaktora; U specifičnim poljima nuklearne hemije, rijetkozemni elementi se uglavnom koriste u kontrolnim šipkama; Osim toga,skandijtakođer se koristi u radiohemiji i nuklearnoj industriji.
(1) Kao zapaljivi otrov ili kontrolna šipka za podešavanje nivoa neutrona i kritičnog stanja nuklearnog reaktora
U energetskim reaktorima, početna preostala reaktivnost novih jezgara je uglavnom relativno visoka. Posebno u ranim fazama prvog ciklusa punjenja gorivom, kada je svo nuklearno gorivo u jezgru novo, preostala reaktivnost je najveća. U ovom trenutku, oslanjanje isključivo na povećanje broja kontrolnih šipki radi kompenzacije preostale reaktivnosti uvelo bi više kontrolnih šipki. Svaka kontrolna šipka (ili snop šipki) odgovara uvođenju složenog pogonskog mehanizma. S jedne strane, to povećava troškove, a s druge strane, otvaranje rupa na glavi posude pod pritiskom može dovesti do smanjenja strukturne čvrstoće. Ne samo da je neekonomično, već nije dozvoljeno imati određenu količinu poroznosti i strukturne čvrstoće na glavi posude pod pritiskom. Međutim, bez povećanja broja kontrolnih šipki, potrebno je povećati koncentraciju hemijskih kompenzirajućih toksina (kao što je borna kiselina) kako bi se kompenzirala preostala reaktivnost. U ovom slučaju, lako je da koncentracija bora pređe prag, a temperaturni koeficijent moderatora će postati pozitivan.
Da bi se izbjegli prethodno spomenuti problemi, za kontrolu se općenito može koristiti kombinacija zapaljivih toksina, kontrolnih šipki i kemijske kompenzacijske kontrole.
(2) Kao dopant za poboljšanje performansi konstrukcijskih materijala reaktora
Reaktori zahtijevaju strukturne komponente i gorivni elementi koji imaju određeni nivo čvrstoće, otpornosti na koroziju i visoke termičke stabilnosti, a istovremeno sprječavaju ulazak produkata fisije u rashladno sredstvo.
1) .Rijetki zemni čelik
Nuklearni reaktor ima ekstremne fizičke i hemijske uslove, a svaka komponenta reaktora također ima visoke zahtjeve za specijalni čelik koji se koristi. Rijetkozemni elementi imaju posebne modifikacijske efekte na čelik, uglavnom uključujući pročišćavanje, metamorfizam, mikrolegiranje i poboljšanje otpornosti na koroziju. Čelici koji sadrže rijetkozemne elemente također se široko koriste u nuklearnim reaktorima.
① Učinak pročišćavanja: Postojeća istraživanja su pokazala da rijetke zemlje imaju dobar učinak pročišćavanja rastaljenog čelika na visokim temperaturama. To je zato što rijetke zemlje mogu reagirati sa štetnim elementima poput kisika i sumpora u rastaljenom čeliku stvarajući spojeve visoke temperature. Spojevi visoke temperature mogu se istaložiti i ispustiti u obliku inkluzija prije nego što se rastaljeni čelik kondenzira, čime se smanjuje sadržaj nečistoća u rastaljenom čeliku.
② Metamorfizam: s druge strane, oksidi, sulfidi ili oksisulfidi nastali reakcijom rijetkih zemalja u rastaljenom čeliku sa štetnim elementima poput kisika i sumpora mogu se djelomično zadržati u rastaljenom čeliku i postati inkluzije čelika s visokom tačkom topljenja. Ove inkluzije mogu se koristiti kao heterogeni centri nukleacije tokom skrućivanja rastopljenog čelika, čime se poboljšava oblik i struktura čelika.
③ Mikrolegiranje: ako se dodavanje rijetkih zemalja dodatno poveća, preostale rijetke zemlje će se rastvoriti u čeliku nakon što se završi gore navedeno pročišćavanje i metamorfoza. Budući da je atomski radijus rijetkih zemalja veći od radijusa atoma željeza, rijetke zemlje imaju veću površinsku aktivnost. Tokom procesa skrućivanja rastopljenog čelika, elementi rijetkih zemalja se obogaćuju na granici zrna, što može bolje smanjiti segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se jača čvrsti rastvor i igra uloga mikrolegiranja. S druge strane, zbog karakteristika skladištenja vodika, rijetke zemlje mogu apsorbirati vodik u čeliku, čime se efikasno poboljšava fenomen vodikove krhkosti čelika.
④ Poboljšanje otpornosti na koroziju: Dodavanje rijetkih zemalja također može poboljšati otpornost čelika na koroziju. To je zato što rijetke zemlje imaju veći potencijal samokorozije od nehrđajućeg čelika. Stoga, dodavanje rijetkih zemalja može povećati potencijal samokorozije nehrđajućeg čelika, čime se poboljšava stabilnost čelika u korozivnim medijima.
2). Ključna studija patenta
Ključni patent: patent za izum čelika niske aktivacije ojačanog disperzijom oksida i metode njegove pripreme od strane Instituta za metale, Kineske akademije nauka
Sažetak patenta: Obezbijeđen je oksidno disperzijski ojačani čelik niske aktivacije pogodan za fuzijske reaktore i metoda njegove pripreme, karakteriziran time što je postotak legirajućih elemenata u ukupnoj masi čelika niske aktivacije: matrica je 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% i 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Proizvodni proces: topljenje Fe-Cr-WV-Ta-Mn matične legure, atomizacija praha, visokoenergetsko kuglično mljevenje matične legure iNanočestica Y2O3miješani prah, ekstrakcija oblaganjem praha, oblikovanje radi skrućivanja, vruće valjanje i termička obrada.
Metoda dodavanja rijetkih zemalja: Dodavanje nanoskalnih elemenataY2O3čestice u atomizirani prah osnovne legure za visokoenergetsko kuglično mljevenje, pri čemu je medij za kuglično mljevenje mješovite tvrde čelične kuglice Φ 6 i Φ 10, s atmosferom kugličnog mljevenja od 99,99% argona, omjerom mase materijala kuglice od (8-10): 1, vremenom kugličnog mljevenja od 40-70 sati i brzinom rotacije od 350-500 o/min.
3). Koristi se za izradu materijala za zaštitu od neutronskog zračenja
① Princip zaštite od neutronskog zračenja
Neutroni su komponente atomskih jezgara, sa statičkom masom od 1,675 × 10⁻²7 kg, što je 1838 puta više od elektronske mase. Njihov poluprečnik je približno 0,8 × 10⁻¹5 m, slične veličine protonu, slično γ zracima. Podjednako su nenaelektrisani. Kada neutroni interaguju sa materijom, oni uglavnom interaguju sa nuklearnim silama unutar jezgra, a ne interaguju sa elektronima u vanjskoj ljusci.
S brzim razvojem nuklearne energije i tehnologije nuklearnih reaktora, sve više pažnje se posvećuje sigurnosti od nuklearnog zračenja i zaštiti od nuklearnog zračenja. Kako bi se ojačala zaštita od zračenja za operatere koji se dugo bave održavanjem opreme za zračenje i spašavanjem u slučaju nesreće, od velikog je naučnog značaja i ekonomske vrijednosti razvoj laganih zaštitnih kompozita za zaštitnu odjeću. Neutronsko zračenje je najvažniji dio zračenja nuklearnog reaktora. Općenito, većina neutrona u direktnom kontaktu s ljudima usporava se na neutrone niske energije nakon efekta neutronske zaštite strukturnih materijala unutar nuklearnog reaktora. Neutroni niske energije će se elastično sudarati s jezgrama s nižim atomskim brojem i nastaviti biti moderirani. Moderirani toplinski neutroni će biti apsorbirani od strane elemenata s većim poprečnim presjekom apsorpcije neutrona, i konačno će se postići neutronska zaštita.
② Ključna studija patenta
Porozna i organsko-neorganska hibridna svojstvarijetki zemni elementgadolinijumMaterijali na bazi metalnog organskog skeleta povećavaju svoju kompatibilnost s polietilenom, što potiče sintetizirane kompozitne materijale da imaju veći sadržaj gadolinija i disperziju gadolinija. Visok sadržaj i disperzija gadolinija direktno će utjecati na performanse neutronske zaštite kompozitnih materijala.
Ključni patent: Hefei Institut za nauku o materijalima, Kineska akademija nauka, patent za izum kompozitnog zaštitnog materijala na bazi organskog okvira na bazi gadolinija i metoda njegove pripreme
Sažetak patenta: Kompozitni zaštitni materijal od metalnog organskog skeleta na bazi gadolinija je kompozitni materijal formiran miješanjemgadolinijumNa bazi metalnog organskog skeletnog materijala sa polietilenom u težinskom omjeru 2:1:10 i oblikovanjem isparavanjem rastvarača ili vrućim presovanjem. Kompozitni zaštitni materijali od metalnog organskog skeleta na bazi gadolinija imaju visoku termičku stabilnost i sposobnost zaštite od termalnih neutrona.
Proizvodni proces: odabir različitihmetalni gadolinijsoli i organski ligandi za pripremu i sintezu različitih vrsta metalo-organskih skeletnih materijala na bazi gadolinija, njihovo pranje malim molekulama metanola, etanola ili vode centrifugiranjem i aktiviranje na visokoj temperaturi pod vakuumom kako bi se u potpunosti uklonile preostale nereagovane sirovine u porama metalo-organskih skeletnih materijala na bazi gadolinija; Organometalni skeletni materijal na bazi gadolinija, pripremljen u koraku, miješa se polietilenskim losionom velikom brzinom ili ultrazvučno, ili se organometalni skeletni materijal na bazi gadolinija, pripremljen u koraku, miješa topljenjem sa polietilenom ultra visoke molekularne težine na visokoj temperaturi dok se potpuno ne izmiješa; Staviti ujednačeno izmiješanu smjesu metalo-organskog skeletnog materijala na bazi gadolinija i polietilena u kalup i dobiti formirani kompozitni zaštitni materijal metalo-organskog skeleta na bazi gadolinija sušenjem radi podsticanja isparavanja rastvarača ili vrućim presovanjem; Pripremljeni kompozitni zaštitni materijal metalo-organskog skeleta na bazi gadolinija ima značajno poboljšanu otpornost na toplotu, mehanička svojstva i superiorniju sposobnost zaštite od termalnih neutrona u poređenju sa čistim polietilenskim materijalima.
Način dodavanja rijetkih zemalja: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 ili Gd (BDC)1.5(H2O)2, porozni kristalni koordinacijski polimer koji sadrži gadolinij, a koji se dobija koordinacijskom polimerizacijomGd (NO3)3 • 6H2O ili GdCl3 • 6H2Oi organski karboksilatni ligand; Veličina metalnog organskog skeletnog materijala na bazi gadolinija je 50nm-2 μm; metalni organski skeletni materijali na bazi gadolinija imaju različite morfologije, uključujući granularne, štapićaste ili igličaste oblike.
(4) PrimjenaSkandijumu radiohemiji i nuklearnoj industriji
Skandijum metal ima dobru termičku stabilnost i snažne performanse apsorpcije fluora, što ga čini nezamjenjivim materijalom u industriji atomske energije.
Ključni patent: Kineski institut za razvoj aeronautike Pekinški institut za aeronautičke materijale, patent za izum legure aluminija, cinka, magnezija i skandija i metode njene pripreme
Sažetak patenta: Aluminij-cinkovlegura magnezijum-skandijumai metoda njegove pripreme. Hemijski sastav i težinski udio legure aluminija i cinka i magnezija u skandiju su: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, nečistoće Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, ostale pojedinačne nečistoće ≤ 0,05%, ukupne ostale nečistoće ≤ 0,15%, a preostala količina je Al. Mikrostruktura ovog materijala od legure aluminija i cinka i magnezija u skandiju je ujednačena, a performanse stabilne, sa zateznom čvrstoćom preko 400 MPa, granicom tečenja preko 350 MPa i zateznom čvrstoćom preko 370 MPa za zavarene spojeve. Proizvodi od materijala mogu se koristiti kao strukturni elementi u vazduhoplovstvu, nuklearnoj industriji, transportu, sportskoj opremi, oružju i drugim oblastima.
Proces proizvodnje: Korak 1, sastojak prema gore navedenom sastavu legure; Korak 2: Topljenje u peći za topljenje na temperaturi od 700 ℃~780 ℃; Korak 3: Rafiniranje potpuno rastopljene metalne tekućine i održavanje temperature metala u rasponu od 700 ℃~750 ℃ tokom rafiniranja; Korak 4: Nakon rafiniranja, treba je potpuno ostaviti da miruje; Korak 5: Nakon potpunog mirovanja, započeti lijevanje, održavati temperaturu peći u rasponu od 690 ℃~730 ℃, a brzina livenja je 15-200 mm/min; Korak 6: Izvršiti tretman homogenizacijskog žarenja na ingotu legure u peći za zagrijavanje, s temperaturom homogenizacije od 400 ℃~470 ℃; Korak 7: Oguliti homogenizirani ingot i izvršiti vruću ekstruziju za proizvodnju profila s debljinom stijenke većom od 2,0 mm. Tokom procesa ekstruzije, gredica treba da se održava na temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃; Korak 8: Istisnuti profil za tretman kaljenjem u rastvoru, sa temperaturom rastvora od 460-480 ℃; Korak 9: Nakon 72 sata kaljenja u čvrstom rastvoru, ručno se vrši prisilno starenje. Sistem ručnog prisilnog starenja je: 90~110 ℃/24 sata + 170~180 ℃/5 sati ili 90~110 ℃/24 sata + 145~155 ℃/10 sati.
5. Sažetak istraživanja
Općenito, rijetke zemlje se široko koriste u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji, te imaju mnogo patentnih rješenja u tehničkim smjerovima kao što su pobuđivanje rendgenskih zraka, formiranje plazme, lakovodni reaktor, transuranij, uranil i oksidni prah. Što se tiče reaktorskih materijala, rijetke zemlje se mogu koristiti kao konstrukcijski materijali za reaktore i srodni keramički izolacijski materijali, kontrolni materijali i materijali za zaštitu od neutronskog zračenja.
Vrijeme objave: 26. maj 2023.