1、 Definicija nuklearnih materijala
U širem smislu, nuklearni materijal je opći pojam za materijale koji se koriste isključivo u nuklearnoj industriji i nuklearnim naučnim istraživanjima, uključujući nuklearno gorivo i materijale nuklearnog inženjeringa, odnosno materijale koji nisu nuklearni.
Uobičajeni nuklearni materijali uglavnom se odnose na materijale koji se koriste u različitim dijelovima reaktora, također poznati kao reaktorski materijali. Materijali reaktora uključuju nuklearno gorivo koje je podvrgnuto nuklearnoj fisiji pod neutronskim bombardiranjem, materijale za oblaganje komponenti nuklearnog goriva, rashladne tekućine, neutronske moderatore (moderatore), materijale upravljačkih 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, koji se još naziva i fosfocerit i fosfocerit, uobičajen je pomoćni mineral u srednje kiselim magmatskim stijenama i metamorfnim stijenama. Monazit je jedan od glavnih minerala rude retkih zemnih metala, a postoji iu nekim sedimentnim stenama. Smeđe crvene, žute, ponekad smeđe žute, masnog sjaja, potpunog cijepanja, tvrdoće po Mohsu 5-5,5 i specifične težine 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekih retkih zemljanih naslaga u Kini je monazit, koji se uglavnom nalazi u Tongchengu, Hubeiju, Yueyangu, Hunanu, Shangraou, Jiangxi, Menghai, Yunnan i okrugu He, Guangxi. Međutim, vađenje retkih zemlja tipa placer često nema ekonomski značaj. Usamljeno kamenje često sadrži reflektivne elemente torija i takođe je glavni izvor komercijalnog plutonijuma.
3、 Pregled primjene rijetkih zemalja u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji na temelju patentne panoramske analize
Nakon što su ključne riječi elemenata pretraživanja rijetkih zemalja u potpunosti proširene, one se kombiniraju s ključevima za proširenje i klasifikacionim brojevima nuklearne fisije i nuklearne fuzije i pretražuju se u bazi podataka Incopt. Datum pretrage je 24. avgust 2020. 4837 patenata dobijeno je jednostavnim spajanjem porodica, a 4673 patenta utvrđeno je vještačkom redukcijom buke.
Prijave za patente rijetkih zemalja u području nuklearne fisije ili nuklearne fuzije distribuiraju se u 56 zemalja/regija, uglavnom koncentrisanih u Japanu, Kini, Sjedinjenim Državama, Njemačkoj i Rusiji, itd. Značajan broj patenata se primjenjuje u obliku PCT-a , od kojih se kineske patentne tehnologije povećavaju, posebno od 2009. godine, ulazeći u fazu brzog rasta, a Japan, Sjedinjene Američke Države i Rusija nastavljaju da se razvijaju u ovoj oblasti dugi niz godina (Slika 1).
Slika 1 Trend primjene tehnoloških patenata koji se odnose na primjenu rijetkih zemalja u nuklearnoj fisiji i nuklearnoj fuziji u zemljama/regijama
Iz analize tehničkih tema može se vidjeti da se primjena rijetke zemlje u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji fokusira na gorive elemente, scintilatore, detektore zračenja, aktinide, plazme, nuklearne reaktore, zaštitne materijale, apsorpciju neutrona i druge tehničke smjerove.
4、 Specifične primjene i ključna patentna istraživanja rijetkih zemnih elemenata u nuklearnim materijalima
Među njima, nuklearna fuzija i reakcije nuklearne fisije u nuklearnim materijalima su intenzivne, a zahtjevi za materijale su strogi. Trenutno su energetski reaktori uglavnom nuklearni fisijski reaktori, a fuzijski reaktori mogu biti popularizirani u velikim razmjerima nakon 50 godina. Primjena odretke zemljeelementi u konstrukcijskim materijalima reaktora; U specifičnim nuklearnim kemijskim poljima, rijetki zemni 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 zaostala reaktivnost novih jezgara je općenito relativno visoka. Naročito u ranim fazama prvog ciklusa dopunjavanja goriva, kada je svo nuklearno gorivo u jezgri novo, preostala reaktivnost je najveća. U ovom trenutku, oslanjanje isključivo na povećanje kontrolnih šipki za kompenzaciju preostale reaktivnosti bi uvelo više kontrolnih šipki. Svaka upravljačka šipka (ili snop šipke) odgovara uvođenju složenog pogonskog mehanizma. S jedne strane, to povećava troškove, a s druge strane otvaranje rupa u glavi posude pod pritiskom može dovesti do smanjenja čvrstoće konstrukcije. Ne samo da je neekonomično, već i nije dozvoljeno imati određenu količinu poroznosti i strukturne čvrstoće na glavi posude pod pritiskom. Međutim, bez povećanja kontrolnih šipki, potrebno je povećati koncentraciju kemijskih kompenzacijskih toksina (kao što je borna kiselina) kako bi se nadoknadila preostala reaktivnost. U ovom slučaju, lako je koncentracija bora prijeći prag, a temperaturni koeficijent moderatora će postati pozitivan.
Da bi se izbjegli gore navedeni problemi, kombinacija zapaljivih toksina, kontrolnih šipki i kontrole kemijske kompenzacije općenito se može koristiti za kontrolu.
（2） Kao dodatak za poboljšanje performansi konstruktivnih materijala reaktora
Reaktori zahtijevaju da strukturne komponente i gorivni elementi imaju određeni nivo čvrstoće, otpornosti na koroziju i visoku termičku stabilnost, dok također sprječavaju da proizvodi fisije uđu u rashladno sredstvo.
1) Čelik od rijetkih zemalja
Nuklearni reaktor ima ekstremne fizičke i hemijske uslove, a svaka komponenta reaktora takođe ima visoke zahteve za specijalnim čelikom koji se koristi. Elementi rijetkih zemalja imaju posebne modifikacijske efekte na čelik, uglavnom uključujući pročišćavanje, metamorfizam, mikrolegiranje i poboljšanje otpornosti na koroziju. Čelici koji sadrže rijetke zemlje također se široko koriste u nuklearnim reaktorima.
① Efekat pročišćavanja: Postojeća istraživanja su pokazala da rijetke zemlje imaju dobar učinak pročišćavanja rastopljenog čelika na visokim temperaturama. To je zato što rijetke zemlje mogu reagirati sa štetnim elementima kao što su kisik i sumpor u rastopljenom čeliku kako bi generirali spojeve visoke temperature. Visokotemperaturna jedinjenja mogu se istaložiti i isprazniti u obliku inkluzija prije kondenzacije rastaljenog čelika, čime se smanjuje sadržaj nečistoća u rastopljenom čeliku.
② Metamorfizam: s druge strane, oksidi, sulfidi ili oksisulfidi nastali reakcijom rijetke zemlje u rastopljenom čeliku sa štetnim elementima kao što su kisik i sumpor mogu se djelomično zadržati u rastopljenom čeliku i postati inkluzije čelika s visokom tačkom . Ove inkluzije se mogu koristiti kao heterogeni centri nukleacije tokom skrućivanja rastaljenog čelika, čime se poboljšava oblik i struktura čelika.
③ Mikrolegiranje: ako se dodavanje rijetke zemlje dodatno poveća, preostala rijetka zemlja će se otopiti u čeliku nakon što se završi gore navedeno prečišćavanje i metamorfizam. Pošto je atomski radijus rijetke zemlje veći od polumjera atoma željeza, rijetka zemlja ima veću površinsku aktivnost. Tokom procesa skrućivanja rastaljenog čelika, rijetki zemni elementi se obogaćuju na granici zrna, što može bolje smanjiti segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se ojačava čvrsti rastvor i igra ulogu mikrolegiranja. S druge strane, zbog karakteristika skladištenja vodonika rijetkih zemalja, oni mogu apsorbirati vodonik u čeliku, čime se efektivno poboljšava fenomen vodonične krtosti čelika.
④ Poboljšanje otpornosti na koroziju: Dodavanje elemenata retkih zemalja takođe 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 o patentima
Ključni patent: patent za pronalazak čelika niske aktivacije ojačanog disperzijom oksida i metode njegove pripreme od strane Instituta za metale Kineske akademije nauka
Sažetak patenta: Dat je čelik niske aktivacije ojačan oksidnom disperzijom pogodan za fuzijske reaktore i način njegove pripreme, karakteriziran time što je postotak legiranih 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%.
Proces proizvodnje: topljenje matične legure Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizacija praha, visokoenergetsko mljevenje matične legure iY2O3 nanočesticamješoviti prah, ekstrakcija omotača prahom, očvršćavanje, vruće valjanje i toplinska obrada.
Metoda dodavanja rijetkih zemalja: Dodajte nanosmjeruY2O3čestice matične legure atomizirani prah za visokoenergetsko mljevenje kuglica, sa medijom za mljevenje kuglica Φ 6 i Φ 10 miješanih kugli od tvrdog čelika, sa atmosferom za mljevenje kuglica od 99,99% plina argona, masenim omjerom kugličnog materijala od (8- 10): 1, vrijeme mljevenja lopte od 40-70 sati i brzina rotacije 350-500 r/min.
3）. Koristi se za izradu materijala za zaštitu od neutronskog zračenja
① Princip zaštite od neutronskog zračenja
Neutroni su komponente atomskih jezgara, sa statičnom masom od 1,675 × 10-27 kg, što je 1838 puta više od elektronske mase. Njegov radijus je približno 0,8 × 10-15m, po veličini sličan protonu, sličan γ Zraci su jednako nenabijeni. Kada neutroni stupaju u interakciju s materijom, oni uglavnom stupaju u interakciju s nuklearnim silama unutar jezgre, a ne s elektronima u vanjskoj ljusci.
S brzim razvojem nuklearne energije i tehnologije nuklearnih reaktora, sve se više pažnje poklanja sigurnosti nuklearnog zračenja i zaštiti od nuklearnog zračenja. U cilju jačanja zaštite od zračenja za operatere koji se već duže vrijeme bave održavanjem radijacijske opreme i spašavanjem od nesreća, od velikog je naučnog značaja i ekonomske vrijednosti razvoj lakih zaštitnih kompozita za zaštitnu odjeću. Neutronsko zračenje je najvažniji dio zračenja nuklearnog reaktora. Općenito, većina neutrona u direktnom kontaktu s ljudskim bićima usporena je do niskoenergetskih neutrona nakon efekta zaštite od neutrona strukturnih materijala unutar nuklearnog reaktora. Neutroni niske energije će se elastično sudariti s jezgrama s nižim atomskim brojem i nastaviti biti umjereni. Umjerene toplinske neutrone će apsorbirati elementi sa većim poprečnim presjekom apsorpcije neutrona i konačno će se postići neutronska zaštita.
② Ključna studija o patentima
Porozna i organsko-anorganska hibridna svojstvaelement rijetke zemljegadolinijmaterijali na bazi metalnih organskih skeleta povećavaju svoju kompatibilnost sa polietilenom, promovišući sintetizirane kompozitne materijale da imaju veći sadržaj gadolinija i disperziju gadolinija. Visok sadržaj i disperzija gadolinija direktno će uticati na performanse zaštite od neutrona kompozitnih materijala.
Ključni patent: Hefei institut za nauku o materijalima, Kineska akademija nauka, patent za pronalazak kompozitnog zaštitnog materijala na bazi organskog okvira na bazi gadolinijuma i metoda njegove pripreme
Sažetak patenta: kompozitni kompozitni materijal na bazi metalnog organskog kostura na bazi gadolinija je kompozitni materijal nastao miješanjemgadolinijmetalni organski skeletni materijal sa polietilenom u težinskom omjeru 2:1:10 i formiranjem ga isparavanjem rastvarača ili vrućim presovanjem. Kompozitni kompozitni materijali na bazi metalnog organskog kostura na bazi gadolinijuma imaju visoku termičku stabilnost i sposobnost zaštite od termičkog neutrona.
Proces proizvodnje: odabir različitihmetal gadolinijumsoli i organski ligandi za pripremu i sintetizaciju različitih tipova metalnih organskih skeletnih materijala na bazi gadolinija, ispiranjem s malim molekulima metanola, etanola ili vode centrifugiranjem i aktiviranjem na visokoj temperaturi pod vakuumskim uvjetima kako bi se u potpunosti uklonile preostale neizreagirane sirovine u porama metalnih organskih skeletnih materijala na bazi gadolinija; Organometalni skeletni materijal na bazi gadolinijuma pripremljen u koraku se miješa sa polietilenskim losionom velikom brzinom, ili ultrazvučno, ili se organometalni skeletni materijal na bazi gadolinijuma pripremljen u koraku istopi s polietilenom ultra visoke molekularne težine na visokoj temperaturi dok se potpuno ne pomiješa; Postavite jednolično izmiješanu mješavinu metalnog organskog skeleta na bazi gadolinija/polietilena u kalup i dobijete formirani kompozitni zaštitni materijal na bazi gadolinijuma na bazi metalnog organskog kostura sušenjem kako bi se podstaklo isparavanje rastvarača ili vruće presovanje; Pripremljeni kompozitni kompozitni materijal na bazi metalnog organskog kostura na bazi gadolinija ima značajno poboljšanu otpornost na toplinu, mehanička svojstva i superiornu sposobnost zaštite od topline 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 koordinacioni polimer koji sadrži gadolinij, koji se dobija koordinacionom polimerizacijomGd (NO3) 3 • 6H2O ili GdCl3 • 6H2Oi organski karboksilatni ligand; Veličina metalnog organskog skeletnog materijala na bazi gadolinijuma je 50nm-2 μm； Metalni organski skeletni materijali na bazi gadolinijuma imaju različite morfologije, uključujući zrnaste, šipkaste ili igličaste oblike.
（4） Primjena odScandiumu radiohemiji i nuklearnoj industriji
Metal skandij ima dobru termičku stabilnost i snažnu apsorpciju fluora, što ga čini nezamjenjivim materijalom u industriji atomske energije.
Ključni patent: China Aerospace Development Peking Institute of Aeronautical Materials, patent za pronalazak aluminijumske legure cink i magnezijuma skandijuma i metode njene pripreme
Sažetak patenta: Aluminij cinklegure magnezijuma i skandijumai način njegove pripreme. Hemijski sastav i težinski procenat legure aluminijum cink magnezijum skandij 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%, ostalo nečistoća pojedinačna ≤ 0,05%, ostalih nečistoća ukupno ≤ 0,15%, a preostala količina je Al. Mikrostruktura ovog materijala od legure aluminijum cink magnezijum skandij je ujednačena i njegove performanse su stabilne, sa krajnjom vlačnom čvrstoćom od preko 400MPa, granom tečenja od preko 350MPa i zateznom čvrstoćom od preko 370MPa za zavarene spojeve. Materijalni proizvodi se mogu koristiti kao strukturni elementi u vazduhoplovstvu, nuklearnoj industriji, transportu, sportskoj robi, oružju i drugim oblastima.
Proces proizvodnje: Korak 1, sastojak prema gore navedenom sastavu legure; Korak 2: Rastopiti u peći za topljenje na temperaturi od 700 ℃ ~ 780 ℃; Korak 3: Rafinirajte potpuno otopljenu metalnu tečnost i održavajte temperaturu metala u rasponu od 700 ℃ ~ 750 ℃ tokom rafiniranja; Korak 4: Nakon rafiniranja, treba ga potpuno ostaviti da miruje; Korak 5: Nakon potpunog stajanja, počnite sa livenjem, održavajte temperaturu peći u rasponu od 690 ℃ ~ 730 ℃, a brzina livenja je 15-200 mm/minuti; Korak 6: Izvršite tretman homogenizacijskog žarenja na ingotu legure u peći za grijanje, sa temperaturom homogenizacije od 400 ℃~470 ℃; Korak 7: Ogulite homogenizovani ingot i izvršite vruću ekstruziju da biste dobili profile debljine zida preko 2,0 mm. Tokom procesa ekstruzije, gredica treba da se održava na temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃; Korak 8: Stisnite profil za tretman gašenjem rastvorom, sa temperaturom rastvora od 460-480 ℃; Korak 9: Nakon 72 sata gašenja u čvrstom rastvoru, ručno forsirajte starenje. Sistem ručnog starenja je: 90~110 ℃/24 sata+170~180 ℃/5 sati, ili 90~110 ℃/24 sata+145~155 ℃/10 sati.
5、 Sažetak istraživanja
U cjelini, rijetke zemlje se široko koriste u nuklearnoj fuziji i nuklearnoj fisiji, i imaju mnoge patentne rasporede u takvim tehničkim smjerovima kao što su ekscitacija rendgenskim zracima, formiranje plazme, reaktor s lakom vodom, transuran, uranil i oksidni prah. Što se tiče reaktorskih materijala, rijetke zemlje se mogu koristiti kao konstruktivni materijali reaktora i povezani keramički izolacijski materijali, kontrolni materijali i materijali za zaštitu od neutronskog zračenja.
Vrijeme objave: 26.05.2023