1 、 Opredelitev jedrskih materialov
V širšem smislu je jedrski material splošni izraz za materiale, ki se uporabljajo izključno v jedrski industriji in jedrskih znanstvenih raziskavah, vključno z materiali za jedrsko gorivo in jedrsko inženirstvo, tj. Neod jedrsko gorivo.
Običajno se nanašajo na jedrske materiale, ki se nanašajo predvsem na materiale, ki se uporabljajo v različnih delih reaktorja, znane tudi kot reaktorski materiali. Reaktorski materiali vključujejo jedrsko gorivo, ki je podvrženo jedrskim cepljenjem pod nevtronskim bombardiranjem, materiali za obloge za komponente jedrskega goriva, hladilno sredstvo, nevtronske moderatorje (moderatorji), krmilne palice, ki močno absorbirajo nevtrone in odsevne materiale, ki preprečujejo uhajanje nevtronov zunaj reaktorja.
2 、 CO, povezan odnos med redkimi zemeljskimi viri in jedrskimi viri
Monazit, imenovan tudi fosfocerit in fosfocerit, je pogost dodatni mineral v magnetni kamnini vmesni kislini in metamorfni kamni. Monazit je eden glavnih mineralov redke zemeljske kovinske rude in obstaja tudi v neki sedimentni skali. Rjavkasto rdeča, rumena, včasih rjavkasto rumena, z mastnim sijajem, popolnim cepitvijo, trdoto MOHS 5-5,5 in specifično težo 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekaterih redkih zemeljskih nahajališč na Kitajskem je monazit, ki se nahaja predvsem v Tongchengu, Hubei, Yueyang, Hunanu, Shangrau, Jiangxiju, Menghaju, Yunnanu in okrožju Guangxi. Vendar ekstrakcija redkih zemeljskih virov tipa place pogosto nima ekonomskega pomena. Samotni kamni pogosto vsebujejo refleksivne torijeve elemente in so tudi glavni vir komercialnega plutonija.
3 、 Pregled uporabe redke Zemlje pri jedrski fuziji in jedrski cepitvi na podlagi patentne panoramske analize
Potem ko so ključne besede redkih iskalnih elementov v celoti razširjene, se kombinirajo s širitvenimi tipkami in klasifikacijskimi številkami jedrske cepitve in jedrsko fuzijo ter jih preiskujejo v bazi podatkov o incopt. Datum iskanja je 24. avgust 2020. Po preprostih združitvi družine je bilo pridobljenih 4837 patentov in 4673 patentov je bilo določenih po umetnem zmanjšanju hrupa.
Rare earth patent applications in the field of nuclear fission or nuclear fusion are distributed in 56 countries/regions , mainly concentrated in Japan, China, the United States, Germany and Russia, etc. A considerable number of patents are applied in the form of PCT, of which Chinese patent technology applications have been increasing, especially since 2009, entering a rapid growth stage, and Japan, the United States and Russia have continued to layout in this field for many years (Figure 1).
Slika 1 Trend uporabe tehnoloških patentov, povezanih z redko uporabo Zemlje pri jedrski jedrski cepitvi in jedrskim zlivanjem v državah/regijah
Iz analize tehničnih tem je razvidno, da se uporaba redke zemlje v jedrski fuziji in jedrski cepitvi osredotoča na elemente goriva, scintilatorje, detektorje sevanja, aktinide, plazme, jedrske reaktorje, zaščitne materiale, absorpcijo nevtronov in druge tehnične usmeritve.
4 、 Specifične aplikacije in ključne patentne raziskave redkih zemeljskih elementov v jedrskih materialih
Med njimi so reakcije jedrske fuzije in jedrske cepitve v jedrskih materialih intenzivne, zahteve za materiale pa so stroge. Trenutno so močni reaktorji predvsem reaktorji jedrskih cepiv, fuzijski reaktorji pa se lahko po 50 letih popularizirajo v velikem obsegu. UporabaRedka zemljaelementi v reaktorskih strukturnih materialih; Na specifičnih jedrskih kemičnih poljih se redki zemeljski elementi uporabljajo predvsem v kontrolnih palicah; Poleg tegaSkandijse uporablja tudi v radiokemiji in jedrski industriji.
（1） kot gorljiv strup ali kontrolna palica za prilagajanje ravni nevtronov in kritično stanje jedrskega reaktorja
V močnih reaktorjih je začetna preostala reaktivnost novih jeder na splošno relativno visoka. Zlasti v zgodnjih fazah prvega cikla polnjenja, ko je vse jedrsko gorivo v jedru novo, je preostala reaktivnost najvišja. Na tej točki bi se zanašanje samo na povečanje kontrolnih palic za kompenzacijo preostale reaktivnosti uvedlo več kontrolnih palic. Vsaka krmilna palica (ali snop palice) ustreza uvedbi zapletenega vožnje. Po eni strani to poveča stroške, na drugi strani pa lahko odpiranje lukenj v glavi tlačne posode privede do zmanjšanja strukturne moči. Ne samo, da je neekonomičen, ampak tudi ni dovoljeno imeti določene količine poroznosti in strukturne trdnosti na glavi tlačne posode. Vendar pa je treba za povečanje kontrolnih palic povečati koncentracijo kemičnih kompenzacijskih toksinov (kot je borna kislina), da se nadomesti preostalo reaktivnost. V tem primeru je enostavno, da koncentracija bora preseže prag, temperaturni koeficient moderatorja pa bo postal pozitiven.
Da bi se izognili že omenjenim težavam, se lahko za nadzor uporabi kombinacija gorljivih toksinov, kontrolnih palic in nadzora kemijske kompenzacije.
（2） kot dopant za izboljšanje učinkovitosti reaktorskih strukturnih materialov
Reaktorji zahtevajo strukturne komponente in gorivne elemente, da imajo določeno raven trdnosti, korozijske odpornosti in visoke toplotne stabilnosti, hkrati pa preprečujejo, da bi produkti cepitve vstopili v hladilno tekočino.
1) .Rare Earth Steel
Jedrski reaktor ima ekstremne fizikalne in kemijske razmere, vsaka komponenta reaktorja pa ima tudi velike potrebe za posebno uporabljeno jeklo. Redki zemeljski elementi imajo posebne spreminjajoče se učinke na jeklo, vključno s čiščenjem, metamorfizmom, mikroleženjem in izboljšanjem korozijske odpornosti. V jedrskih reaktorjih se pogosto uporabljajo tudi redki jekel, ki vsebujejo zemljo.
① Učinek čiščenja: Obstoječe raziskave so pokazale, da imajo redke zemlje dober učinek čiščenja na staljeno jeklo pri visokih temperaturah. To je zato, ker lahko redke zemlja reagirajo s škodljivimi elementi, kot sta kisik in žveplo v staljenem jeklu, da ustvarijo visokotemperaturne spojine. Visokotemperaturne spojine lahko oborimo in izpustimo v obliki vključkov pred staljenim jeklenim kondendom, s čimer se zmanjša vsebnost nečistoče v staljenem jeklom.
② Metamorfizem: Po drugi strani pa lahko oksidi, sulfidi ali oksisulfidi, ki nastanejo z reakcijo redke Zemlje v staljenem jeklom s škodljivimi elementi, kot sta kisik in žveplo, delno zadržite v staljenem jeklu in postanejo vključitve jekla z visokim talilnim točkam. Te vključitve lahko med strjevanjem staljenega jekla uporabimo kot heterogene nukleacijske centre, s čimer izboljšajo obliko in strukturo jekla.
③ Mikrolej: Če se dodajanje redke zemlje še poveča, se preostala redka zemlja raztopi v jeklom po zgornjem čiščenju in metamorfizmu. Ker je atomski polmer redke Zemlje večji kot pri atomu železa, ima redka Zemlja večjo površinsko aktivnost. Med postopkom strjevanja staljenega jekla so na meji zrnja obogateni redki zemeljski elementi, kar lahko bolje zmanjša segregacijo elementov nečistoče na meji zrn in tako okrepi trdno raztopino in igra vlogo mikroleževanja. Po drugi strani pa lahko zaradi značilnosti za shranjevanje vodika v jeklu absorbirajo vodik in s tem učinkovito izboljšajo pojav jekla vodika.
④ Izboljšanje korozijske odpornosti: Dodajanje redkih zemeljskih elementov lahko izboljša tudi korozijsko odpornost jekla. To je zato, ker imajo redke Zemlje večji potencial za samo korozijo kot nerjavno jeklo. Zato lahko dodajanje redkih zemlje poveča samo korozijski potencial iz nerjavečega jekla in tako izboljša stabilnost jekla v korozivnih medijih.
2). Ključna patentna študija
Ključni patent: izumi patent disperzije oksida je okrepil nizko aktivacijsko jeklo in njegovo metodo priprave z Inštituta za kovine, Kitajska akademija znanosti
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%in 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Proces proizvodnje: FE-CR-WV-TA-MN MATINSKA LIGRANJA, ATORIZACIJSY2O3 nanodelciMešani prah, ekstrakcija ovoja v prahu, oblikovanje oblikovanja, vroče valjanje in toplotno obdelavo.
Redka metoda dodajanja Zemlje: dodajte nanoskoloY2O3Delci do matične zlitine, ki je bil atoniziran v prahu za visokoenergijsko rezkanje kroglic, z rezkanjem kroglice je φ 6 in φ 10 mešanih trdih jeklenih kroglic, z atmosfero za mletje kroglice 99,99% argonskega plina, razmerje mas o kroglici (8-10): 1, čas rezljenja kroglice 40-70 ur in rotacijske hitrosti.
3）. Uporablja se za izdelavo zaščitnih materialov za nevtronsko sevanje
① Načelo zaščite nevtronskega sevanja
Nevtroni so sestavni deli atomskih jeder, s statično maso 1,675 × 10-27kg, kar je 1838-krat večje od elektronske mase. Njegov polmer je približno 0,8 × 10-15m, podobno kot proton, podobno kot γ žarki so enako nepolni. Ko nevtroni delujejo s snovjo, v glavnem komunicirajo z jedrskimi silami znotraj jedra in ne sodelujejo z elektroni v zunanji lupini.
S hitrim razvojem jedrske energije in tehnologije jedrskega reaktorja je bilo vse več pozornosti namenjeno varnosti jedrskega sevanja in zaščite jedrskega sevanja. Da bi okrepili zaščito pred sevanjem za operaterje, ki se že dolgo ukvarjajo z vzdrževanjem in reševanjem nesreč, je velikega znanstvenega pomena in ekonomske vrednosti za razvoj lahkih zaščitnih kompozitov za zaščitna oblačila. Nevtronsko sevanje je najpomembnejši del sevanja jedrskega reaktorja. Na splošno se je večina nevtronov v neposrednem stiku s človeškimi bitji upočasnila na nizkoenergijske nevtrone po nevtronskem zaščitnem učinku strukturnih materialov znotraj jedrskega reaktorja. Nevtroni z nizko energijo bodo elastično trčili z jedri z nižjo atomsko številko in še naprej moderirani. Moderirani toplotni nevtroni bodo absorbirani z elementi z večjimi preseki absorpcije nevtronov in na koncu bo doseženo nevtronsko zaščito.
② Ključna študija patenta
Porozne in organsko-anorganske hibridne lastnostiRedki zemeljski elementGadoliniumKovinski organski skeletni materiali na osnovi povečujejo združljivost s polietilenom, kar spodbuja sintetizirane kompozitne materiale, da imajo višjo vsebnost gadolinija in disperzijo gadolinija. Visoka vsebnost in disperzija gadolinija bosta neposredno vplivala na zmogljivost zaščite nevtronov sestavljenih materialov.
Ključni patent: Hefei Inštitut za znanost o materialih, Kitajska akademija znanosti, izum patenta organskega okvira na osnovi gadolinija
Patentni izvleček: kovinski organski skeletni kompozitni material na osnovi gadolinija je sestavljen material, oblikovan z mešanjemGadoliniumNa osnovi kovinskega organskega skeletnega materiala s polietilenom v razmerju mase 2: 1: 10 in ga tvori z izhlapevanjem topila ali vroče stiskanja. Kovinski organski skeletni kompozitni zaščitni materiali na osnovi gadolinija imajo visoko toplotno stabilnost in sposobnost za zaščito termičnih nevtronov.
Proces izdelave: izbira različnihGadolinium kovinasalts and organic ligands to prepare and synthesize different types of gadolinium based metal organic skeleton materials, washing them with small molecules of methanol, ethanol, or water by centrifugation, and activating them at high temperature under vacuum conditions to fully remove the residual unreacted raw materials in the pores of the gadolinium based metal organic skeleton materials; Organometalni skeletni material na osnovi gadolinija, pripravljen v koraku, mešamo s polietilenskim losjonom z veliko hitrostjo, ali ultrazvočno, ali pa je v koraku, ki je pripravljen organometalni material na osnovi gadolinija, metalo z ultra visokim molekularnim polietilenom, dokler se popolnoma mešajo, dokler se popolnoma mešajo, dokler se popolnoma mešajo, dokler se popolnoma mešajo, dokler se popolnoma mešajo, dokler se popolnoma mešajo, dokler se popolnoma mešajo, dokler popolnoma mešano, do popolnoma mešanega; V kalup postavite enakomerno mešano kovinsko skeletno mešanico na osnovi gadolinija/polietilensko mešanico in pridobite oblikovani kovinski kovinski organski skeletni kompozitni material, ki temelji na gadoliniju, tako da sušite, da pospešite izhlapevanje topila ali vroče stiskanje; Pripravljeni kovinski kovinski organski skeletni kompozitni material na osnovi gadolinija ima znatno izboljšano toplotno odpornost, mehanske lastnosti in vrhunsko sposobnost za zaščito termičnih nevtronov v primerjavi s čistimi polietilenskimi materiali.
Redki način dodajanja zemlje: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 ali GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Porozni kristalni koordinacijski polimer, ki vsebuje gadolinij, ki ga dobimo s koordinacijsko polimerizacijoGD (NO3) 3 • 6H2O ali GDCL3 • 6H2Oin organski karboksilatni ligand; Velikost kovinskega organskega skeletnega materiala na osnovi gadolinija je 50 nm-2 μm ； Gadolinium kovinski organski skeletni materiali na osnovi Gadoliniuma, ki imajo različne morfologije, vključno z zrnatimi, obliki oblike palice ali v obliki igle.
（4） UporabaSkandijv radiokemiji in jedrski industriji
Scandium kovina ima dobro toplotno stabilnost in močno učinkovitost absorpcije fluora, zaradi česar je nepogrešljiv material v industriji atomske energije.
Ključni patent: Kitajski vesoljski razvoj Peking Inštitut za letalske materiale, patent za izum za aluminijasto cinkovo magnezijsko zlitino in njegovo metodo priprave
Izvleček patenta: aluminijasti cinkMagnezijeva skandijska zlitinain njegova metoda priprave. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0,15%, preostali znesek pa Al. Mikrostruktura tega aluminijevega cinkovega magnezijevega magnezijevega skandijevega zlitin je enakomerna, njegova zmogljivost pa je stabilna, z končno natezno trdnostjo nad 400MPA, trdnostjo donosa nad 350MPa in natezno trdnostjo nad 370MPa za varjene sklepe. Materialne izdelke se lahko uporabljajo kot strukturni elementi v vesoljskem vesolju, jedrski industriji, prevozu, športnih izdelkih, orožju in drugih področjih.
Proces izdelave: 1. korak, sestavina glede na zgornjo sestavo zlitin; 2. korak: stopite v talilni peči pri temperaturi 700 ℃ ~ 780 ℃; 3. korak: Izboljšajte popolnoma stopljeno kovinsko tekočino in med rafiniranjem vzdržujte temperaturo kovine v območju 700 ℃ ~ 750 ℃; 4. korak: Po rafiniranju bi bilo treba v celoti dovoliti, da mirno stoji; 5. korak: Po popolnem stojanju začnite vlivati temperaturo peči v območju 690 ℃ ~ 730 ℃, hitrost vlivanja pa 15-200 mm/minuta; 6. korak: Izvedite obdelavo homogenizacije na ingotu zlitine v grelni peči s temperaturo homogenizacije 400 ℃ ~ 470 ℃; 7. korak: Olupite homogenizirani ingot in izvedite vročo ekstruzijo, da ustvarite profile z debelino stene nad 2,0 mm. Med postopkom ekstrudiranja je treba gredico vzdrževati pri temperaturi 350 ℃ do 410 ℃; 8. korak: Stisnite profil za čiščenje raztopine s temperaturo raztopine 460-480 ℃; 9. korak: Po 72 urah gašenja trdne raztopine ročno prisilita staranje. Ročni sistem za staranje sile je: 90 ~ 110 ℃/24 ur+170 ~ 180 ℃/5 ur ali 90 ~ 110 ℃/24 ur+145 ~ 155 ℃/10 ur.
5 、 Povzetek raziskav
Na splošno se redke zemlja pogosto uporabljajo pri jedrski fuziji in jedrski cepitvi in imajo številne patentne postavitve v tehničnih smereh, kot so rentgenska vzbujanja, tvorba plazme, reaktor lahke vode, transuranium, uranil in oksidni prah. Kar zadeva reaktorske materiale, se lahko redke zemlje uporabljajo kot reaktorski strukturni materiali in s tem povezani keramični izolacijski materiali, kontrolni materiali in materiali za zaščito nevtronskih sevanja.
Čas objave: maj-26-2023