1、 Opredelitev jedrskih materialov
V širšem smislu je jedrski material splošen izraz za materiale, ki se uporabljajo izključno v jedrski industriji in jedrskih znanstvenih raziskavah, vključno z jedrskim gorivom in materiali za jedrski inženiring, tj. materiali za nejedrsko gorivo.
Običajno navedeni jedrski materiali se v glavnem nanašajo na materiale, ki se uporabljajo v različnih delih reaktorja, znani tudi kot reaktorski materiali.Reaktorski materiali vključujejo jedrsko gorivo, ki je podvrženo jedrski fisiji pod nevtronskim obstreljevanjem, materiale za obloge komponent jedrskega goriva, hladilne tekočine, moderatorje nevtronov (moderatorje), materiale krmilnih palic, ki močno absorbirajo nevtrone, in odsevne materiale, ki preprečujejo uhajanje nevtronov izven reaktorja.
2、 Sopovezan odnos med viri redkih zemelj in jedrskimi viri
Monazit, imenovan tudi fosfokerit in fosfokerit, je pogost pomožni mineral v vmesnih kislih magmatskih kamninah in metamorfnih kamninah.Monazit je eden glavnih mineralov rude redkih zemeljskih kovin in obstaja tudi v nekaterih sedimentnih kamninah.Rjavkasto rdeča, rumena, včasih rjavkasto rumena, z mastnim sijajem, popolno cepilnostjo, Mohsovo trdoto 5-5,5 in specifično težo 4,9-5,5.
Glavni rudni mineral nekaterih nahajališč redkih zemelj na Kitajskem je monacit, ki se večinoma nahaja v Tongchengu, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan in He County, Guangxi.Vendar pridobivanje redkih zemeljskih virov pogosto nima gospodarskega pomena.Samotni kamni pogosto vsebujejo refleksne torijeve elemente in so tudi glavni vir komercialnega plutonija.
3、 Pregled uporabe redkih zemelj v jedrski fuziji in jedrski fisiji na podlagi patentne panoramske analize
Ko so ključne besede iskalnih elementov redkih zemelj v celoti razširjene, se združijo z razširitvenimi ključi in klasifikacijskimi številkami jedrske fisije in jedrske fuzije ter iščejo v bazi podatkov Incopt.Datum iskanja je 24. avgust 2020. 4837 patentov je bilo pridobljenih po enostavni družinski združitvi, 4673 patentov pa je bilo ugotovljenih po umetnem zmanjševanju šuma.
Prijave patentov za redke zemlje na področju jedrske fisije ali jedrske fuzije so razdeljene v 56 državah/regijah, večinoma skoncentrirane na Japonskem, Kitajskem, v Združenih državah, Nemčiji in Rusiji itd. Precejšnje število patentov je prijavljenih v obliki PCT , med katerimi se kitajske vloge za patentno tehnologijo povečujejo, zlasti od leta 2009, ko prehajajo v fazo hitre rasti, Japonska, Združene države in Rusija pa že vrsto let nadaljujejo s postavitvijo na tem področju (slika 1).
Slika 1 Trend uporabe tehnoloških patentov, povezanih z uporabo redkih zemelj v 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, aktinoide, plazmo, jedrske reaktorje, zaščitne materiale, absorpcijo nevtronov in druge tehnične smeri.
4、 Posebne aplikacije in ključne patentne raziskave elementov redkih zemelj v jedrskih materialih
Med njimi so reakcije jedrske fuzije in jedrske cepitve v jedrskih materialih intenzivne, zahteve za materiale pa stroge.Trenutno so močnostni reaktorji v glavnem jedrski fisijski reaktorji, fuzijski reaktorji pa bodo lahko popularizirani v velikem obsegu po 50 letih.Uporabaredke zemljeelementi v strukturnih materialih reaktorja;Na posebnih področjih jedrske kemikalije se redki zemeljski elementi uporabljajo predvsem v krmilnih palicah;poleg tegaskandijse uporablja tudi v radiokemiji in jedrski industriji.
（1） Kot vnetljiv strup ali krmilna palica za prilagajanje ravni nevtronov in kritičnega stanja jedrskega reaktorja
V energetskih reaktorjih je začetna preostala reaktivnost novih sredic na splošno relativno visoka.Zlasti v zgodnjih fazah prvega cikla polnjenja z gorivom, ko je vse jedrsko gorivo v sredici novo, je preostala reaktivnost največja.Na tej točki bi se zanašanje samo na povečanje krmilnih palic za kompenzacijo preostale reaktivnosti uvedlo več krmilnih palic.Vsaka krmilna palica (ali snop palic) ustreza uvedbi kompleksnega pogonskega mehanizma.Po eni strani to poveča stroške, po drugi strani pa lahko odpiranje lukenj v glavi tlačne posode povzroči zmanjšanje trdnosti konstrukcije.Ne samo, da je negospodarno, ampak tudi ni dovoljeno imeti določene količine poroznosti in strukturne trdnosti na glavi tlačne posode.Vendar je treba brez povečanja kontrolnih palic povečati koncentracijo kemičnih kompenzacijskih toksinov (kot je borova kislina), da se nadomesti preostala reaktivnost.V tem primeru lahko koncentracija bora preseže prag in temperaturni koeficient moderatorja postane pozitiven.
Da bi se izognili prej omenjenim težavam, lahko za nadzor na splošno uporabimo kombinacijo gorljivih toksinov, kontrolnih palic in kemičnega kompenzacijskega nadzora.
（2） Kot dopant za izboljšanje učinkovitosti strukturnih materialov reaktorja
Reaktorji zahtevajo, da imajo strukturne komponente in gorivni elementi določeno raven trdnosti, odpornosti proti koroziji in visoko toplotno stabilnost, hkrati pa preprečujejo, da bi produkti cepitve vstopili v hladilno tekočino.
1) .Jeklo redkih zemelj
Jedrski reaktor ima ekstremne fizikalne in kemijske pogoje, vsaka komponenta reaktorja pa ima tudi visoke zahteve glede uporabljenega posebnega jekla.Elementi redkih zemelj imajo posebne modifikacijske učinke na jeklo, predvsem vključno s čiščenjem, metamorfizmom, mikrolegiranjem in izboljšanjem odpornosti proti koroziji.Jekla, ki vsebujejo redke zemlje, 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, da ustvarijo visokotemperaturne spojine.Visokotemperaturne spojine se lahko oborijo in izpustijo v obliki vključkov, preden staljeno jeklo kondenzira, s čimer se zmanjša vsebnost nečistoč v staljenem jeklu.
② Metamorfizem: po drugi strani 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 .Te vključke je mogoče uporabiti kot heterogena nukleacijska središča med strjevanjem staljenega jekla in tako izboljšati obliko in strukturo jekla.
③ Mikrolegiranje: če dodatek redke zemlje še povečate, se bo preostala redka zemlja raztopila v jeklu po zaključku zgornjega čiščenja in metamorfizma.Ker je atomski polmer redke zemlje večji od atoma železa, ima redka zemlja večjo površinsko aktivnost.Med postopkom strjevanja staljenega jekla so elementi redkih zemelj obogateni na meji zrn, kar lahko bolje zmanjša ločevanje elementov nečistoč na meji zrn, s čimer se utrdi trdna raztopina in igra vlogo mikrolegiranja.Po drugi strani pa lahko redke zemlje zaradi lastnosti shranjevanja vodika absorbirajo vodik v jeklu in tako učinkovito izboljšajo pojav vodikove krhkosti jekla.
④ Izboljšanje odpornosti proti koroziji: Dodatek elementov redkih zemelj lahko izboljša tudi odpornost jekla proti koroziji.To je zato, ker imajo redke zemlje večji potencial samokorozije kot nerjavno jeklo.Zato lahko dodajanje redkih zemelj poveča potencial samokorozije nerjavnega jekla in s tem izboljša stabilnost jekla v jedkih medijih.
2).Ključna patentna študija
Ključni patent: patent izuma z oksidno disperzijo ojačanega nizkoaktivacijskega jekla in metode njegove priprave Inštituta za kovine Kitajske akademije znanosti
Povzetek patenta: Zagotovljeno je oksidno disperzijsko ojačeno nizko aktivacijsko jeklo, primerno za fuzijske reaktorje, in metoda njegove priprave, označena s tem, da je odstotek legiranih elementov v skupni masi nizko aktivacijskega 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 proces: taljenje matične zlitine Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizacija prahu, visokoenergijsko kroglično mletje osnovne zlitine innanodelec Y2O3mešani prah, ekstrakcija ovojnice prahu, strjevanje, vroče valjanje in toplotna obdelava.
Metoda dodajanja redkih zemelj: dodajte nanometrsko meriloY2O3delci v osnovni zlitini atomizirani prah za visokoenergijsko kroglično mletje, pri čemer sta medij za kroglično mlinstvo kroglice iz mešanega trdega jekla Φ 6 in Φ 10, z atmosfero krogličnega mletja 99,99 % plina argona, masno razmerje krogličnega materiala (8- 10): 1, čas krogličnega rezkanja 40-70 ur in vrtilna hitrost 350-500 r/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 × 10-27 kg, kar je 1838-krat večja od elektronske mase.Njegov polmer je približno 0,8 × 10-15 m, po velikosti podoben protonu, podobno kot γ. Žarki so enako nenabiti.Ko nevtroni interagirajo s snovjo, večinoma interagirajo z jedrskimi silami znotraj jedra in ne interagirajo z elektroni v zunanji lupini.
S hitrim razvojem jedrske energije in tehnologije jedrskih reaktorjev se čedalje več pozornosti namenja varnosti pred jedrskim sevanjem in zaščiti pred jedrskim sevanjem.Da bi okrepili zaščito pred sevanjem za operaterje, ki se že dolgo ukvarjajo z vzdrževanjem sevalne opreme in reševanjem po nesreči, je razvoj lahkih zaščitnih kompozitov za zaščitna oblačila velikega znanstvenega in gospodarskega pomena.Nevtronsko sevanje je najpomembnejši del sevanja jedrskih reaktorjev.Na splošno je bila večina nevtronov v neposrednem stiku s človekom upočasnjena do nizkoenergijskih nevtronov po učinku nevtronske zaščite strukturnih materialov v jedrskem reaktorju.Nevtroni z nizko energijo bodo elastično trčili v jedra z nižjim atomskim številom in se še naprej zmerjali.Umirjene toplotne nevtrone bodo absorbirali elementi z večjim absorpcijskim prerezom nevtronov in na koncu bo dosežena nevtronska zaščita.
② Ključna patentna študija
Porozne in organsko-anorganske hibridne lastnostielement redkih zemeljgadolinijkovinski organski skeletni materiali povečajo svojo 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 nevtronsko zaščito kompozitnih materialov.
Ključni patent: Inštitut za znanost o materialih Hefei, Kitajska akademija znanosti, patent za izum organskega ogrodnega kompozitnega zaščitnega materiala 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 mešanjemgadolinijna osnovi kovinskega organskega skeletnega materiala s polietilenom v masnem razmerju 2:1:10 in njegovo oblikovanje z izhlapevanjem topil ali vročim stiskanjem.Kompozitni zaščitni materiali iz kovinskega organskega skeleta na osnovi gadolinija imajo visoko toplotno stabilnost in sposobnost zaščite pred toplotnimi nevtroni.
Postopek izdelave: izbira različnihkovina gadolinijsoli in organskih ligandov za pripravo in sintezo različnih vrst kovinskih organskih skeletnih materialov na osnovi gadolinija, njihovo pranje z majhnimi molekulami metanola, etanola ali vode s centrifugiranjem in njihovo aktiviranje pri visoki temperaturi pod vakuumskimi pogoji, da v celoti odstranimo preostale nereagirane surovine v porah kovinskih organskih skeletnih materialov na osnovi gadolinija;Organokovinski skeletni material na osnovi gadolinija, pripravljen v koraku, mešamo s polietilenskim losjonom pri visoki hitrosti ali ultrazvočno ali pa organokovinski skeletni material na osnovi gadolinija, pripravljen v koraku, pri visoki temperaturi mešamo s polietilenom z ultravisoko molekulsko maso, dokler ni popolnoma premešan;Enakomerno zmešano mešanico kovinskega organskega skeletnega materiala/polietilena na osnovi gadolinija dajte v kalup in s sušenjem, da pospešite izhlapevanje topil, ali z vročim stiskanjem pridobite oblikovani zaščitni material za kovinsko organsko ogrodje na osnovi gadolinija;Pripravljen zaščitni material s kovinskim organskim skeletom na osnovi gadolinija ima znatno izboljšano toplotno odpornost, mehanske lastnosti in vrhunsko sposobnost zaščite pred toplotnimi nevtroni v primerjavi s čistimi polietilenskimi materiali.
Način dodajanja redkih zemelj: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 ali Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porozni kristalni koordinacijski polimer, ki vsebuje gadolinij, ki je pridobljen 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； Metalni organski skeletni materiali na osnovi gadolinija imajo različne morfologije, vključno z zrnatimi, paličastimi ali igličastimi oblikami.
（4） Uporabaskandijv radiokemiji in jedrski industriji
Kovina skandij ima dobro toplotno stabilnost in močno absorpcijo fluora, zaradi česar je nepogrešljiv material v industriji atomske energije.
Ključni patent: Kitajski letalski in vesoljski 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 način njegove priprave.Kemična sestava in masni odstotek zlitine aluminij cink magnezij skandij 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%, druge nečistoče posamezne ≤ 0,05%, druge nečistoče skupaj ≤ 0,15%, preostala količina pa je Al.Mikrostruktura tega materiala iz zlitine aluminij-cink-magnezij-skandij je enotna in njegova zmogljivost je stabilna, s končno natezno trdnostjo nad 400MPa, mejo tečenja nad 350MPa in natezno trdnostjo nad 370MPa za varjene spoje.Materialni izdelki se lahko uporabljajo kot strukturni elementi v letalstvu, jedrski industriji, transportu, športni opremi, orožju in na drugih področjih.
Postopek izdelave: 1. korak, sestavina glede na zgornjo sestavo zlitine;2. korak: Taljenje v talilni peči pri temperaturi 700 ℃ ~ 780 ℃;3. korak: Rafinirajte popolnoma staljeno kovinsko tekočino in med rafiniranjem vzdržujte temperaturo kovine v območju 700 ℃ ~ 750 ℃;4. korak: Po rafiniranju je treba popolnoma pustiti, da miruje;5. korak: Ko popolnoma stojite, začnite z ulivanjem, vzdržujte temperaturo peči v območju 690 ℃ ~ 730 ℃, hitrost vlivanja pa je 15-200 mm/minuto;6. korak: Izvedite obdelavo s homogenizacijskim žarjenjem na ingotu zlitine v ogrevalni peči s temperaturo homogenizacije 400 ℃ ~ 470 ℃;Korak 7: Odlepite homogenizirani ingot in izvedite vročo ekstruzijo za izdelavo profilov z debelino stene nad 2,0 mm.Med postopkom iztiskanja je treba gredico vzdrževati pri temperaturi od 350 ℃ do 410 ℃;8. korak: Stisnite profil za obdelavo za kaljenje raztopine s temperaturo raztopine 460-480 ℃;Korak 9: Po 72 urah kaljenja v trdni raztopini ročno prisilno starajte.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 zemlje pogosto uporabljajo v jedrski fuziji in jedrski fisiji in imajo veliko patentnih postavitev v tehničnih smereh, kot so vzbujanje rentgenskih žarkov, tvorba plazme, lahki vodni reaktor, transuranij, uranil in oksidni prah.Kar zadeva reaktorske materiale, se redke zemlje lahko uporabljajo kot konstrukcijski materiali reaktorja in sorodni keramični izolacijski materiali, kontrolni materiali in materiali za zaščito pred nevtronskim sevanjem.
Čas objave: 26. maj 2023