1、 Визначення ядерних матеріалів
У широкому розумінні ядерний матеріал — це загальний термін для матеріалів, що використовуються виключно в атомній промисловості та ядерних наукових дослідженнях, включаючи ядерне паливо та матеріали для ядерної інженерії, тобто неядерні паливні матеріали.
Ядерні матеріали, які зазвичай називають ядерними матеріалами, в основному стосуються матеріалів, які використовуються в різних частинах реактора, також відомих як реакторні матеріали. Реакторні матеріали включають ядерне паливо, яке піддається ядерному розщепленню під нейтронним бомбардуванням, матеріали оболонки для компонентів ядерного палива, теплоносії, сповільнювачі нейтронів (сповільнювачі), матеріали керуючих стрижнів, які сильно поглинають нейтрони, і відбиваючі матеріали, які запобігають витоку нейтронів за межі реактора.
2、 Співвідношення між рідкоземельними ресурсами та ядерними ресурсами
Монацит, який також називають фосфокеритом і фосфокеритом, є поширеним допоміжним мінералом у проміжних кислих магматичних породах і метаморфічних породах. Монацит є одним із основних мінералів руд рідкоземельних металів, а також існує в деяких осадових породах. Коричнево-червоний, жовтий, іноді буро-жовтий, з жирним блиском, повною спайністю, твердістю за Моосом 5-5,5, питомою вагою 4,9-5,5.
Основним рудним мінералом деяких рідкоземельних родовищ розсипного типу в Китаї є монацит, який в основному розташований у Тунчен, Хубей, Юеян, Хунань, Шанграо, Цзянсі, Менхай, Юньнань і в окрузі Хе, Гуансі. Однак видобуток рідкоземельних ресурсів розсипного типу часто не має економічного значення. Поодинокі камені часто містять рефлексивні елементи торію, а також є основним джерелом комерційного плутонію.
3、 Огляд застосування рідкоземельних елементів у ядерному синтезі та ядерному поділі на основі патентного панорамного аналізу
Після того, як ключові слова елементів пошуку рідкоземельних елементів повністю розгорнуті, вони поєднуються з ключами розширення та класифікаційними номерами ядерного поділу та ядерного синтезу та здійснюють пошук у базі даних Incopt. Дата пошуку - 24 серпня 2020 року. 4837 патентів було отримано після простого злиття родини, а 4673 патенти були визначені після штучного шумозаглушення.
Заявки на патенти на рідкоземельні елементи в галузі ядерного поділу або ядерного синтезу поширені в 56 країнах/регіонах, головним чином у Японії, Китаї, Сполучених Штатах, Німеччині та Росії тощо. Значна кількість патентів застосована у формі PCT , з яких китайські патентні заявки на технологію збільшуються, особливо з 2009 року, вступаючи в стадію швидкого зростання, а Японія, Сполучені Штати та Росія продовжують макет у цій галузі протягом багатьох років (рис. 1).
Малюнок 1 Тенденція застосування технологічних патентів, пов’язаних із застосуванням рідкоземельних елементів у ядерному ядерному розщепленні та ядерному синтезі в країнах/регіонах
З аналізу технічних тем можна побачити, що застосування рідкоземельних елементів у ядерному синтезі та ядерному поділі зосереджено на паливних елементах, сцинтиляторах, детекторах випромінювання, актиноїдах, плазмі, ядерних реакторах, захисних матеріалах, поглинанні нейтронів та інших технічних напрямках.
4、 Конкретні застосування та ключові патентні дослідження рідкоземельних елементів у ядерних матеріалах
Серед них реакції ядерного синтезу та ядерного поділу в ядерних матеріалах є інтенсивними, а вимоги до матеріалів суворі. В даний час енергетичні реактори - це в основному реактори ядерного поділу, а термоядерні реактори можуть бути широко популяризовані через 50 років. Застосуваннярідкоземельніелементи конструкційних матеріалів реактора; У конкретних областях ядерної хімії рідкоземельні елементи в основному використовуються в керуючих стрижнях; Крім того,скандійтакож використовується в радіохімії та атомній промисловості.
（1） Як горючу отруту або керуючий стрижень для регулювання рівня нейтронів і критичного стану ядерного реактора
В енергетичних реакторах початкова залишкова реактивність нових активних зон зазвичай відносно висока. Особливо на ранніх стадіях першого циклу перезавантаження, коли все ядерне паливо в активній зоні є новим, залишкова реактивність найвища. На даний момент, покладаючись виключно на збільшення стрижнів керування для компенсації залишкової реактивності, буде введено більше стрижнів керування. Кожен стрижень керування (або пучок стрижнів) відповідає введенню складного приводного механізму. З одного боку, це збільшує витрати, а з іншого боку, відкриття отворів у головці резервуара високого тиску може призвести до зниження міцності конструкції. Це не тільки неекономічно, але також не дозволяється мати певну кількість пористості та структурної міцності на головці резервуара високого тиску. Однак, не збільшуючи контрольні стрижні, необхідно збільшити концентрацію хімічних компенсуючих токсинів (таких як борна кислота), щоб компенсувати залишкову реактивність. У цьому випадку концентрація бору легко перевищить поріг, і температурний коефіцієнт сповільнювача стане позитивним.
Щоб уникнути вищезазначених проблем, для контролю зазвичай можна використовувати комбінацію горючих токсинів, стрижнів керування та хімічного компенсаційного контролю.
（2） Як легуюча добавка для підвищення ефективності конструкційних матеріалів реактора
Реактори вимагають, щоб структурні компоненти та паливні елементи мали певний рівень міцності, стійкості до корозії та високої термічної стабільності, а також запобігали потраплянню продуктів ділення в теплоносій.
1) Рідкоземельна сталь
Ядерний реактор має екстремальні фізичні та хімічні умови, і кожен компонент реактора також має високі вимоги до спеціальної сталі, яка використовується. Рідкоземельні елементи мають особливий модифікаційний вплив на сталь, в основному включаючи очищення, метаморфізм, мікролегування та покращення стійкості до корозії. Сталі, що містять рідкоземельні елементи, також широко використовуються в ядерних реакторах.
① Ефект очищення: Існуючі дослідження показали, що рідкоземельні елементи мають хороший ефект очищення розплавленої сталі при високих температурах. Це пояснюється тим, що рідкоземельні елементи можуть реагувати з такими шкідливими елементами, як кисень і сірка в розплавленій сталі, утворюючи високотемпературні сполуки. Високотемпературні сполуки можуть випадати в осад і виділятися у вигляді включень до конденсації розплавленої сталі, тим самим зменшуючи вміст домішок у розплавленій сталі.
② Метаморфізм: з іншого боку, оксиди, сульфіди або оксисульфіди, що утворюються в результаті реакції рідкісноземельних елементів у розплавленій сталі з шкідливими елементами, такими як кисень і сірка, можуть частково зберігатися в розплавленій сталі та стати вкрапленнями сталі з високою температурою плавлення . Ці включення можна використовувати як гетерогенні центри зародження під час затвердіння розплавленої сталі, таким чином покращуючи форму та структуру сталі.
③ Мікролегування: якщо додавання рідкоземельних елементів буде додатково збільшено, залишки рідкоземельних елементів будуть розчинені в сталі після завершення описаного вище очищення та метаморфізму. Оскільки атомний радіус рідкоземельних елементів більший, ніж у атомів заліза, рідкоземельні землі мають вищу поверхневу активність. У процесі затвердіння розплавленої сталі рідкоземельні елементи збагачуються на межі зерна, що може краще зменшити сегрегацію домішок на межі зерна, таким чином зміцнюючи твердий розчин і відіграючи роль мікролегування. З іншого боку, завдяки властивостям рідкісноземельних елементів накопичувати водень, вони можуть поглинати водень у сталі, тим самим ефективно покращуючи явище водневої крихкості сталі.
④ Підвищення корозійної стійкості: додавання рідкоземельних елементів також може підвищити корозійну стійкість сталі. Це пояснюється тим, що рідкоземельні метали мають вищий потенціал самокорозії, ніж нержавіюча сталь. Таким чином, додавання рідкісноземельних елементів може збільшити потенціал самокорозії нержавіючої сталі, тим самим покращуючи стабільність сталі в корозійних середовищах.
2). Ключове патентне дослідження
Ключовий патент: патент на винахід низькоактивованої сталі, зміцненої оксидною дисперсією, і метод її виготовлення Інститутом металів Китайської академії наук
Анотація до патенту: Запропоновано оксидно-дисперсійну зміцнену сталь з низькою активацією, придатну для реакторів термоядерного синтезу, і спосіб її виготовлення, який характеризується тим, що відсоток легуючих елементів у загальній масі сталі з низькою активацією становить: матриця – 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 % і 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.
Виробничий процес: виплавка основного сплаву Fe-Cr-WV-Ta-Mn, розпилення порошку, високоенергетичне кульове подрібнення основного сплаву таНаночастинка Y2O3змішаний порошок, екстракція, що обволікає порошок, формування затвердіння, гаряча прокатка та термічна обробка.
Метод додавання рідкоземельних елементів: додати нанорозмірY2O3частинок до розпиленого порошку основного сплаву для високоенергетичного кульового помелу, причому середовищем для кульового помелу є кульки зі змішаної твердої сталі Φ 6 і Φ 10, в атмосфері кульового млина 99,99% газу аргону, співвідношення маси кулькового матеріалу (8- 10): 1, час кульового помелу 40-70 годин і швидкість обертання 350-500 об/хв.
3). Використовується для виготовлення матеріалів для захисту від нейтронного випромінювання
① Принцип захисту від нейтронного випромінювання
Нейтрони є компонентами атомних ядер зі статичною масою 1,675 × 10-27 кг, що в 1838 разів перевищує електронну масу. Його радіус становить приблизно 0,8 × 10-15 м, схожий за розміром на протон, схожий на γ-промені однаково незаряджені. Коли нейтрони взаємодіють з речовиною, вони в основному взаємодіють з ядерними силами всередині ядра і не взаємодіють з електронами у зовнішній оболонці.
Зі швидким розвитком ядерної енергетики та технології ядерних реакторів все більше уваги приділяється ядерній радіаційній безпеці та захисту від ядерної радіації. З метою посилення радіаційного захисту операторів, які тривалий час займаються обслуговуванням радіаційного обладнання та аварійно-рятувальними роботами, велике наукове та економічне значення має розробка легких екрануючих композитів для захисного одягу. Нейтронне випромінювання є найважливішою частиною випромінювання ядерних реакторів. Як правило, більшість нейтронів у прямому контакті з людьми були сповільнені до нейтронів низької енергії після ефекту нейтронного екранування конструкційних матеріалів усередині ядерного реактора. Нейтрони з низькою енергією пружно стикаються з ядрами з нижчим атомним номером і продовжують сповільнюватися. Сповільнені теплові нейтрони будуть поглинатися елементами з більшим поперечним перерізом поглинання нейтронів, і, нарешті, буде досягнуто екранування нейтронів.
② Ключове патентне дослідження
Пористі та органо-неорганічні гібридні властивостірідкоземельний елементгадолінійМеталоорганічні скелетні матеріали на основі металу підвищують їх сумісність з поліетиленом, сприяючи більшому вмісту гадолінію та дисперсії гадолінію в синтезованих композиційних матеріалах. Високий вміст і дисперсія гадолінію безпосередньо впливатимуть на ефективність нейтронного екранування композитних матеріалів.
Ключовий патент: Інститут матеріалознавства Хефей Академії наук Китаю, патент на винахід органічного каркасного композитного екрануючого матеріалу на основі гадолінію та метод його виготовлення
Анотація до патенту: Композитний екрануючий матеріал металевого органічного скелета на основі гадолінію — це композитний матеріал, утворений шляхом змішуваннягадолінійна основі металоорганічного скелетного матеріалу з поліетиленом у ваговому співвідношенні 2:1:10 і формування його шляхом випаровування розчинника або гарячого пресування. Композитні захисні матеріали металевого органічного скелета на основі гадолінію мають високу термічну стабільність і здатність екранувати теплові нейтрони.
Процес виготовлення: вибір різногометалевий гадолінійсолі та органічні ліганди для приготування та синтезу різних типів металевих органічних скелетних матеріалів на основі гадолінію, промивання їх невеликими молекулами метанолу, етанолу або води шляхом центрифугування та активація при високій температурі в умовах вакууму для повного видалення залишків непрореагованої сировини в порах металоорганічних скелетних матеріалів на основі гадолінію; Металоорганічний скелетний матеріал на основі гадолінію, отриманий на етапі, перемішують з поліетиленовим лосьйоном на високій швидкості або ультразвуком, або металоорганічний скелетний матеріал на основі гадолінію, отриманий на етапі, змішують у розплаві з поліетиленом надвисокої молекулярної маси при високій температурі до повного змішування; Помістіть рівномірно змішану суміш металевого органічного скелета на основі гадолінію/поліетилену в прес-форму та отримайте сформований захисний композитний матеріал металевого органічного скелета на основі гадолінію шляхом сушіння для сприяння випаровуванню розчинника або гарячого пресування; Підготовлений композитний захисний матеріал на основі металоорганічного скелета на основі гадолінію має значно покращену термостійкість, механічні властивості та чудову здатність екранувати теплові нейтрони порівняно з чистими поліетиленовими матеріалами.
Режим додавання рідкоземельних елементів: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 або Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 пористий кристалічний координаційний полімер, що містить гадоліній, який отримують шляхом координаційної полімеризаціїGd (NO3) 3 • 6H2O або GdCl3 • 6H2Oі органічний карбоксилатний ліганд; Розмір металевого органічного скелетного матеріалу на основі гадолінію становить 50 нм-2 мкм； Металеві органічні скелетні матеріали на основі гадолінію мають різну морфологію, включаючи зернисту, паличкоподібну або голчасту форми.
（4） Застосуванняскандійв радіохімії та атомній промисловості
Металевий скандій має гарну термічну стабільність і сильні показники поглинання фтору, що робить його незамінним матеріалом в атомній енергетиці.
Ключовий патент: Китайський аерокосмічний розвиток Пекінський інститут аеронавігаційних матеріалів, патент на винахід для алюмінієво-цинково-магнієвого скандієвого сплаву та методу його виготовлення
Реферат на патент: алюміній цинкмагній скандієвий сплаві спосіб його приготування. Хімічний склад і ваговий відсоток сплаву алюмінію, цинку, магнію, скандію: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, домішки Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, інші домішки поодинокі ≤ 0,05%, загальна кількість інших домішок ≤ 0,15%, а решта становить Al. Мікроструктура цього матеріалу зі сплаву алюмінію, цинку, магнію, скандію є однорідною, а його характеристики стабільні, з межею міцності на розрив понад 400 МПа, межею текучості понад 350 МПа та межею міцності на розрив понад 370 МПа для зварних з’єднань. Матеріальні вироби можуть бути використані як конструктивні елементи в аерокосмічній, атомній промисловості, транспорті, спортивних товарах, зброї та інших галузях.
Виробничий процес: Етап 1, інгредієнт відповідно до вищезазначеного складу сплаву; Крок 2: Розтопити в плавильній печі при температурі 700 ℃ ~ 780 ℃; Крок 3: Очистіть повністю розплавлену металеву рідину та підтримуйте температуру металу в межах 700 ℃ ~ 750 ℃ під час рафінування; Крок 4: Після рафінування йому слід повністю дати відстоятися; Крок 5: після повного стояння почніть лиття, підтримуйте температуру печі в межах 690 ℃ ~ 730 ℃, а швидкість лиття становить 15-200 мм/хв; Крок 6: Виконайте обробку гомогенізаційного відпалу на зливку сплаву в нагрівальній печі з температурою гомогенізації 400 ℃ ~ 470 ℃; Крок 7: Очистіть гомогенізований злиток і виконайте гарячу екструзію для отримання профілів із товщиною стінки понад 2,0 мм. Під час процесу екструзії заготовку слід підтримувати при температурі від 350 ℃ до 410 ℃; Крок 8: Стисніть профіль для обробки розчином, що гасить, з температурою розчину 460-480 ℃; Крок 9: Після 72 годин гасіння твердого розчину вручну примусово витримайте. Система ручного примусового старіння: 90~110 ℃/24 години+170~180 ℃/5 годин або 90~110 ℃/24 години+145~155 ℃/10 годин.
5、 Резюме дослідження
В цілому рідкісноземельні метали широко використовуються в ядерному синтезі та ядерному розщепленні, і мають багато патентних розкладок у таких технічних напрямках, як рентгенівське збудження, утворення плазми, легководний реактор, трансурановий, ураніловий та оксидний порошок. Що стосується реакторних матеріалів, рідкісноземельні елементи можна використовувати як конструкційні матеріали реактора та відповідні керамічні ізоляційні матеріали, контрольні матеріали та матеріали для захисту від нейтронного випромінювання.
Час публікації: 26 травня 2023 р