1. Definicija 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 jedrskim gorivom in materiali za jedrsko tehniko, tj. nejedrskimi gorivnimi materiali.
Izraz jedrski materiali se običajno nanaša predvsem na materiale, ki se uporabljajo v različnih delih reaktorja, znane tudi kot reaktorski materiali. Reaktorski materiali vključujejo jedrsko gorivo, ki se pod vplivom nevtronskega bombardiranja cepi, materiale za obloge komponent jedrskega goriva, hladilna sredstva, nevtronske moderatorje, materiale za krmilne palice, ki močno absorbirajo nevtrone, in odbojne materiale, ki preprečujejo uhajanje nevtronov zunaj reaktorja.
2. Sorodna povezava med viri redkih zemelj in jedrskimi viri
Monazit, imenovan tudi fosfocerit in fosfocerit, je pogost akcesorni mineral v vmesno kislih magmatskih kamninah in metamorfnih kamninah. Monazit je eden glavnih mineralov v rudah redkih zemeljskih kovin in obstaja tudi v nekaterih sedimentnih kamninah. Je rjavkasto rdeč, rumen, včasih rjavkasto rumen, z mastnim sijajem, popolno cepljivostjo, Mohsovo trdoto 5-5,5 in specifično težo 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekaterih nahajališč redkih zemelj tipa placer na Kitajskem je monazit, ki se nahaja predvsem v Tongchengu, Hubeiju, Yueyangu, Hunanu, Shangraoju, Jiangxiju, Menghaju, Yunnanu in okrožju He v Guangxiju. Vendar pa pridobivanje redkih zemelj tipa placer pogosto nima gospodarskega pomena. Posamezni kamni pogosto vsebujejo refleksivne torijeve elemente in so tudi glavni vir komercialnega plutonija.
3. Pregled uporabe redkih zemelj v jedrski fuziji in jedrski fisiji na podlagi panoramske analize patentov
Ko so ključne besede za iskalne elemente redkih zemelj v celoti razširjene, se združijo z razširitvenimi ključi in klasifikacijskimi številkami jedrske fisije in jedrske fuzije ter poiščejo v podatkovni bazi Incopt. Datum iskanja je 24. avgust 2020. Po preprosti združitvi družin je bilo pridobljenih 4837 patentov, po umetnem zmanjšanju šuma pa 4673 patentov.
Prijave patentov za redke zemeljske elemente na področju jedrske fisije ali jedrske fuzije so razporejene v 56 državah/regijah, večinoma na Japonskem, Kitajskem, v Združenih državah Amerike, Nemčiji in Rusiji itd. Precejšnje število patentov je prijavljenih v obliki PCT, pri čemer se število kitajskih patentnih tehnoloških prijav povečuje, zlasti od leta 2009, ko je vstopilo v fazo hitre rasti, Japonska, Združene države Amerike in Rusija pa na tem področju še naprej delujejo že vrsto let (slika 1).
Slika 1 Trend prijav tehnoloških patentov, povezanih z uporabo redkih zemelj pri jedrski fisiji in jedrski fuziji v državah/regijah
Iz analize tehničnih tem je razvidno, da se uporaba redkih zemelj v jedrski fuziji in jedrski fisiji osredotoča na gorivne elemente, scintilatorje, detektorje sevanja, aktinoidi, plazme, jedrske reaktorje, zaščitne materiale, absorpcijo nevtronov in druga tehnična področja.
4. Specifične uporabe in ključne patentne raziskave redkozemeljskih elementov v jedrskih materialih
Med njimi so reakcije jedrske fuzije in jedrske fisije v jedrskih materialih intenzivne, zahteve za materiale pa so stroge. Trenutno so energetski reaktorji večinoma reaktorji jedrske fisije, fuzijski reaktorji pa bi lahko postali obsežni šele čez 50 let. Uporabaredka zemljaelementi v konstrukcijskih materialih reaktorjev; na specifičnih področjih jedrske kemije se redkozemeljski elementi uporabljajo predvsem v krmilnih palicah; poleg tegaskandijUporablja se tudi v radiokemiji in jedrski industriji.
(1) Kot gorljivi strup ali kontrolna palica za prilagajanje ravni nevtronov in kritičnega stanja jedrskega reaktorja
V energetskih reaktorjih je začetna preostala reaktivnost novih jeder običajno relativno visoka. Še posebej v zgodnjih fazah prvega cikla polnjenja z gorivom, ko je vse jedrsko gorivo v jedru novo, je preostala reaktivnost najvišja. Na tej točki bi se zanašanje izključno na povečanje števila krmilnih palic za kompenzacijo preostale reaktivnosti pripeljalo do večjega števila krmilnih palic. Vsaka krmilna palica (ali snop palic) ustreza uvedbi kompleksnega pogonskega mehanizma. Po eni strani to povečuje stroške, po drugi strani pa lahko odpiranje lukenj v glavi tlačne posode povzroči zmanjšanje strukturne trdnosti. To ni le neekonomično, ampak tudi ni dovoljeno imeti določene količine poroznosti in strukturne trdnosti na glavi tlačne posode. Vendar pa je brez povečanja števila krmilnih palic potrebno povečati koncentracijo kemičnih kompenzacijskih toksinov (kot je borova kislina), da se kompenzira preostala reaktivnost. V tem primeru lahko koncentracija bora zlahka preseže prag in temperaturni koeficient moderatorja postane pozitiven.
Da bi se izognili zgoraj omenjenim težavam, se za nadzor običajno lahko uporabi kombinacija gorljivih toksinov, kontrolnih palic in kemičnega kompenzacijskega nadzora.
(2) Kot dopant za izboljšanje učinkovitosti konstrukcijskih materialov reaktorjev
Reaktorji zahtevajo, da imajo strukturne komponente in gorivni elementi določeno stopnjo trdnosti, odpornosti proti koroziji in visoke toplotne stabilnosti, hkrati pa preprečujejo vstop cepitvenih produktov v hladilno tekočino.
1) .Redkozemeljsko jeklo
Jedrski reaktor ima ekstremne fizikalne in kemijske pogoje, vsaka komponenta reaktorja pa ima tudi visoke zahteve glede uporabljenega posebnega jekla. Redkozemeljski elementi imajo posebne modifikacijske učinke na jeklo, vključno s čiščenjem, metamorfizmom, mikrolegiranjem in izboljšanjem odpornosti proti koroziji. Jekla, ki vsebujejo redkozemeljske elemente, se pogosto uporabljajo tudi v jedrskih reaktorjih.
① Učinek čiščenja: Obstoječe raziskave so pokazale, da imajo redke zemlje dober učinek čiščenja staljenega jekla pri visokih temperaturah. To je zato, ker lahko redke zemlje reagirajo s škodljivimi elementi, kot sta kisik in žveplo, v staljenem jeklu in tvorijo visokotemperaturne spojine. Visokotemperaturne spojine se lahko izločijo in izločijo v obliki vključkov, preden se staljeno jeklo kondenzira, s čimer se zmanjša vsebnost nečistoč v staljenem jeklu.
② Metamorfizem: po drugi strani pa se lahko oksidi, sulfidi ali oksisulfidi, ki nastanejo pri reakciji redkih zemelj v staljenem jeklu s škodljivimi elementi, kot sta kisik in žveplo, delno zadržijo v staljenem jeklu in postanejo vključki jekla z visokim tališčem. Ti vključki se lahko med strjevanjem staljenega jekla uporabijo kot heterogeni nukleacijski centri, s čimer se izboljša oblika in struktura jekla.
③ Mikrolegiranje: če se dodatek redkih zemelj še poveča, se bodo preostale redke zemeljine po zgornjem čiščenju in metamorfozi raztopile v jeklu. Ker je atomski polmer redkih zemelj večji od polmera atoma železa, imajo redke zemeljine večjo površinsko aktivnost. Med strjevanjem staljenega jekla se redke zemeljine obogatijo z elementi na meji zrn, kar lahko bolje zmanjša segregacijo nečistoč na meji zrn, s čimer se okrepi trdna raztopina in igra vlogo mikrolegiranja. Po drugi strani pa lahko redke zemeljine zaradi svojih lastnosti shranjevanja vodika absorbirajo vodik v jeklu in s tem učinkovito izboljšajo pojav vodikove krhkosti jekla.
④ Izboljšanje odpornosti proti koroziji: Dodatek redkih zemelj lahko izboljša tudi odpornost jekla proti koroziji. To je zato, ker imajo redke zemeljine višji potencial samokorozije kot nerjaveče jeklo. Zato lahko dodatek redkih zemelj poveča potencial samokorozije nerjavečega jekla in s tem izboljša stabilnost jekla v korozivnih medijih.
2). Ključna patentna študija
Ključni patent: patent za izum jekla z nizko aktivacijo, utrjenega z oksidno disperzijo, in metode njegove priprave, ki ga je izdal Inštitut za kovine Kitajske akademije znanosti
Povzetek patenta: Predstavljen je z oksidno disperzijo utrjeno nizkoaktivacijsko jeklo, primerno za fuzijske reaktorje, in postopek njegove priprave, za katerega je značilno, da je odstotek legirnih elementov v skupni masi nizkoaktivacijskega jekla: 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 % in 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.
Proizvodni postopek: taljenje matične zlitine Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizacija prahu, visokoenergijsko mletje matične zlitine s kroglicami inNanodelci Y2O3mešani prah, ekstrakcija s praškom, strjevanje, vroče valjanje in toplotna obdelava.
Metoda dodajanja redkih zemelj: Dodajanje nanoskalnih elementovY2O3delci v atomiziran prah osnovne zlitine za visokoenergijsko mletje s kroglicami, pri čemer je medij za mletje s kroglicami iz mešanega trdega jekla Φ 6 in Φ 10, z atmosfero mletja s kroglicami iz 99,99 % argona, masnim razmerjem materiala kroglice (8-10): 1, časom mletja s kroglicami 40-70 ur in hitrostjo vrtenja 350-500 vrt/min.
3). Uporablja se za izdelavo materialov za zaščito pred nevtronskim sevanjem
① Načelo zaščite pred nevtronskim sevanjem
Nevtroni so sestavni deli atomskih jeder s statično maso 1,675 × 10⁻²⁻²⁷ kg, kar je 1838-krat več od elektronske mase. Njihov polmer je približno 0,8 × 10⁻¹⁰ m, po velikosti pa so podobni protonu, podobno kot γ-žarki, ki so prav tako nenabiti. Ko nevtroni interagirajo s snovjo, interagirajo predvsem z jedrskimi silami znotraj jedra in ne interagirajo z elektroni v zunanji lupini.
Z naglim razvojem jedrske energije in tehnologije jedrskih reaktorjev se vse več pozornosti posveča varnosti pred jedrskim sevanjem in zaščiti pred njim. Za okrepitev zaščite pred sevanjem operaterjev, ki se že dolgo ukvarjajo z vzdrževanjem sevalne opreme in reševanjem ob nesrečah, je razvoj lahkih zaščitnih kompozitov za zaščitna oblačila velikega znanstvenega in ekonomskega pomena. Nevtronsko sevanje je najpomembnejši del sevanja jedrskega reaktorja. Na splošno se večina nevtronov, ki so v neposrednem stiku s ljudmi, po učinku nevtronske zaščite strukturnih materialov v jedrskem reaktorju upočasni v nizkoenergijske nevtrone. Nizkoenergijski nevtroni elastično trčijo v jedra z nižjim atomskim številom in se še naprej moderirajo. Moderirane toplotne nevtrone absorbirajo elementi z večjimi preseki absorpcije nevtronov in končno se doseže nevtronska zaščita.
② Ključna patentna študija
Porozne in organsko-anorganske hibridne lastnostiredki zemeljski elementgadolinijKovinsko-organski skeletni materiali na osnovi kovin povečajo svojo združljivost s polietilenom, kar spodbuja sintetizirane kompozitne materiale k višji vsebnosti gadolinija in njegovi disperziji. Visoka vsebnost in disperzija gadolinija neposredno vplivata na učinkovitost nevtronske zaščite kompozitnih materialov.
Ključni patent: Inštitut za materiale Hefei, Kitajska akademija znanosti, patent za izum kompozitnega zaščitnega materiala na osnovi organskega ogrodja na osnovi gadolinija in metode njegove priprave
Povzetek patenta: Kompozitni zaščitni material iz kovinskega organskega skeleta na osnovi gadolinija je kompozitni material, ki nastane z mešanjemgadolinijKovinsko-organski skeletni material na osnovi polietilena v masnem razmerju 2:1:10, ki se oblikuje z izhlapevanjem topila ali vročim stiskanjem. Zaščitni kompozitni kovinsko-organski skeletni materiali na osnovi gadolinija imajo visoko toplotno stabilnost in sposobnost zaščite pred toplotnimi nevtroni.
Proizvodni proces: izbira različnihkovinski gadolinijsoli in organski ligandi za pripravo in sintezo različnih vrst kovinsko-organskih skeletnih materialov na osnovi gadolinija, njihovo pranje z majhnimi molekulami metanola, etanola ali vode s centrifugiranjem in aktiviranje pri visoki temperaturi v vakuumskih pogojih, da se v celoti odstranijo preostale nereagirane surovine v porah kovinsko-organskih skeletnih materialov na osnovi gadolinija; organometalni skeletni material na osnovi gadolinija, pripravljen v koraku, se meša s polietilenskim losjonom pri visoki hitrosti ali ultrazvočno ali pa se organometalni skeletni material na osnovi gadolinija, pripravljen v koraku, talino zmeša s polietilenom ultra visoke molekulske mase pri visoki temperaturi, dokler se popolnoma ne premeša; enakomerno zmešano mešanico kovinsko-organskega skeletnega materiala na osnovi gadolinija in polietilena namestimo v kalup in s sušenjem za spodbujanje izhlapevanja topila ali vročim stiskanjem dobimo oblikovani zaščitni kompozitni kovinsko-organski skeletni material na osnovi gadolinija; Pripravljen zaščitni kompozitni kovinsko-organski skeletni material na osnovi gadolinija ima bistveno izboljšano toplotno odpornost, mehanske lastnosti in boljšo sposobnost zaščite pred toplotnimi nevtroni v primerjavi s čistimi polietilenskimi materiali.
Način adicije redkih zemelj: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 ali Gd (BDC)1,5(H2O)2, porozni kristalinični koordinacijski polimer, ki vsebuje gadolinij in se pridobiva s koordinacijsko polimerizacijo.Gd (NO3) 3 • 6H2O ali GdCl3 • 6H2Oin organski karboksilatni ligand; Velikost kovinsko-organskega skeletnega materiala na osnovi gadolinija je 50 nm-2 μm; kovinsko-organski skeletni materiali na osnovi gadolinija imajo različne morfologije, vključno z zrnato, paličasto ali igličasto obliko.
(4) UporabaSkandijv radiokemiji in jedrski industriji
Skandij ima dobro toplotno stabilnost in močno absorpcijo fluora, zaradi česar je nepogrešljiv material v industriji atomske energije.
Ključni patent: Kitajski letalski razvoj Pekinški inštitut za letalske materiale, patent za izum za zlitino aluminija, cinka, magnezija in skandija ter postopek njene priprave
Povzetek patenta: Aluminijev cinkmagnezijeva skandijeva zlitinain postopek priprave. Kemična sestava in masni odstotek zlitine aluminija in cinka ter magnezija in skandija sta: Mg 1,0 % -2,4 %, Zn 3,5 % -5,5 %, Sc 0,04 % -0,50 %, Zr 0,04 % -0,35 %, nečistoče Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, posamezne nečistoče ≤ 0,05 %, skupne druge nečistoče ≤ 0,15 %, preostala količina pa je Al. Mikrostruktura te zlitine aluminija in cinka ter magnezija in skandija je enakomerna, njene lastnosti pa so stabilne, z natezno trdnostjo nad 400 MPa, mejo tečenja nad 350 MPa in natezno trdnostjo za varjene spoje nad 370 MPa. Material se lahko uporablja kot konstrukcijski elementi v letalski, vesoljski in jedrski industriji, prometu, športni opremi, orožju in drugih področjih.
Postopek izdelave: 1. korak, sestavina v skladu z zgornjo sestavo zlitine; 2. korak: taljenje v talilni peči pri temperaturi 700 ℃~780 ℃; 3. korak: rafiniranje popolnoma staljene kovinske tekočine in vzdrževanje temperature kovine v območju 700 ℃~750 ℃ med rafiniranjem; 4. korak: po rafiniranju je treba pustiti, da popolnoma miruje; 5. korak: po popolnem mirovanju začnite z ulivanjem, vzdržujte temperaturo peči v območju 690 ℃~730 ℃, hitrost ulivanja pa 15–200 mm/minuto; 6. korak: izvedba homogenizacijskega žarjenja ingota zlitine v grelni peči pri temperaturi homogenizacije 400 ℃~470 ℃; 7. korak: lupljenje homogeniziranega ingota in vroče ekstrudiranje za izdelavo profilov z debelino stene nad 2,0 mm. Med postopkom ekstrudiranja je treba gredico vzdrževati pri temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃; 8. korak: Stisnite profil za obdelavo z raztopino, pri čemer je temperatura raztopine 460–480 ℃; 9. korak: Po 72 urah kaljenja v trdni raztopini ročno prisilno staranje. Sistem ročnega prisilnega staranja je: 90–110 ℃/24 ur + 170–180 ℃/5 ur ali 90–110 ℃/24 ur + 145–155 ℃/10 ur.
5. Povzetek raziskave
Na splošno se redke zemeljine pogosto uporabljajo v jedrski fuziji in jedrski fisiji ter imajo številne patentne rešitve na tehničnih področjih, kot so vzbujanje rentgenskih žarkov, tvorba plazme, lahkovodni reaktor, transuran, uranil in oksidni prah. Kar zadeva reaktorske materiale, se redke zemeljine lahko uporabljajo kot konstrukcijski materiali za reaktorje in sorodni keramični izolacijski materiali, kontrolni materiali in materiali za zaščito pred nevtronskim sevanjem.
Čas objave: 26. maj 2023