Застосування рідкоземельних елементів у ядерних матеріалах

1. Визначення ядерних матеріалів

У широкому сенсі ядерний матеріал – це загальний термін для матеріалів, що використовуються виключно в ядерній промисловості та ядерних наукових дослідженнях, включаючи ядерне паливо та матеріали ядерної техніки, тобто неядерні паливні матеріали.

Під ядерними матеріалами зазвичай розуміють матеріали, що використовуються в різних частинах реактора, також відомі як реакторні матеріали. До реакторних матеріалів належать ядерне паливо, яке піддається ядерному поділу під дією нейтронного бомбардування, облицювальні матеріали для компонентів ядерного палива, теплоносії, сповільнювачі нейтронів (модератори), матеріали керуючих стрижнів, які сильно поглинають нейтрони, та відбивні матеріали, що запобігають витоку нейтронів за межі реактора.

2. Співвідношення між рідкісноземельними ресурсами та ядерними ресурсами

Монацит, також званий фосфокеритом та фосфоцеритом, є поширеним акцесорним мінералом у магматичних та метаморфічних породах середньої кислоти. Монацит є одним з основних мінералів руд рідкісноземельних металів, а також зустрічається в деяких осадових породах. Коричнево-червоний, жовтий, іноді коричнево-жовтий, з жирним блиском, повною спайністю, твердістю за шкалою Мооса 5-5,5 та питомою вагою 4,9-5,5.

Основним рудним мінералом деяких родовищ рідкісноземельних елементів розсипного типу в Китаї є монацит, який переважно знаходиться в Тунчен, Хубей, Юейан, Хунань, Шанжао, Цзянсі, Менхай, Юньнань та повіті Хе, Гуансі. Однак видобуток ресурсів рідкісноземельних елементів розсипного типу часто не має економічного значення. Поодинокі камені часто містять рефлексивні елементи торію, а також є основним джерелом промислового плутонію.

3. Огляд застосування рідкоземельних елементів у ядерному синтезі та ядерному поділі на основі панорамного аналізу патентів.

Після повного розкриття ключових слів пошуку рідкоземельних елементів, вони об'єднуються з ключами розкриття та класифікаційними номерами ядерного поділу та ядерного синтезу, а пошук здійснюється в базі даних Incopt. Дата пошуку - 24 серпня 2020 року. 4837 патентів було отримано після простого об'єднання сімейств, а 4673 патенти було визначено після штучного шумозаглушення.

Заявки на патенти на рідкоземельні елементи в галузі ядерного поділу або ядерного синтезу розподілені у 56 країнах/регіонах, переважно зосереджених у Японії, Китаї, Сполучених Штатах, Німеччині та Росії тощо. Значна кількість патентів подається у формі PCT, причому кількість заявок на патентні технології в Китаї зростає, особливо з 2009 року, коли країна вступає у стадію швидкого зростання, а Японія, Сполучені Штати та Росія продовжують співпрацювати в цій галузі протягом багатьох років (Рисунок 1).

рідкісноземельні

Рисунок 1. Тенденція подання заявок на технологічні патенти, пов'язані із застосуванням рідкоземельних елементів у ядерному поділі та ядерному синтезі в країнах/регіонах

З аналізу технічних тем видно, що застосування рідкоземельних елементів у ядерному синтезі та ядерному поділі зосереджено на паливних елементах, сцинтиляторах, радіаційних детекторах, 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. Наразі енергетичні реактори є переважно реакторами ядерного поділу, і термоядерні реактори можуть стати широкомасштабними через 50 років. Застосуваннярідкісноземельніелементи в конструкційних матеріалах реакторів; У певних галузях ядерної хімії рідкісноземельні елементи в основному використовуються в регулювальних стрижнях; крім тогоскандійтакож використовується в радіохімії та ядерній промисловості.

(1) Як горюча отрута або регулювальний стрижень для регулювання рівня нейтронів та критичного стану ядерного реактора

В енергетичних реакторах початкова залишкова реактивність нових активних зон, як правило, відносно висока. Особливо на ранніх стадіях першого циклу перезавантаження, коли все ядерне паливо в активній зоні нове, залишкова реактивність є найвищою. У цей момент, покладаючись виключно на збільшення кількості регулюючих стрижнів для компенсації залишкової реактивності, потрібно буде використовувати більше регулюючих стрижнів. Кожен регулюючий стрижень (або пучок стрижнів) відповідає впровадженню складного приводного механізму. З одного боку, це збільшує витрати, а з іншого боку, відкриття отворів у кришці корпусу високого тиску може призвести до зниження міцності конструкції. Це не тільки неекономічно, але й не дозволяється мати певну пористість та міцність конструкції на кришці корпусу високого тиску. Однак, без збільшення кількості регулюючих стрижнів 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 вищезгаданих проблем, для контролю зазвичай можна використовувати комбінацію горючих токсинів, регулюючих стрижнів та хімічного компенсаційного контролю.

(2) Як легуюча добавка для покращення характеристик конструкційних матеріалів реактора

Реактори вимагають, щоб конструкційні компоненти та паливні елементи мали певний рівень міцності, корозійної стійкості та високої термічної стабільності, а також запобігали потраплянню продуктів поділу в теплоносій.

1) .Рідкісноземельна сталь

Ядерний реактор має екстремальні фізичні та хімічні умови, і кожен компонент реактора також має високі вимоги до спеціальної сталі, що використовується. Рідкісноземельні елементи мають особливий модифікаційний вплив на сталь, головним чином включаючи очищення, метаморфізм, мікролегування та покращення корозійної стійкості. Сталі, що містять рідкісноземельні елементи, також широко використовуються в ядерних реакторах.

① Ефект очищення: Існуючі дослідження показали, що рідкісноземельні елементи мають хороший ефект очищення розплавленої сталі за високих температур. Це пояснюється тим, що рідкісноземельні елементи можуть реагувати зі шкідливими елементами, такими як кисень і сірка, у розплавленій сталі, утворюючи високотемпературні сполуки. Високотемпературні сполуки можуть осаджуватися та 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 рідкоземельних елементів у розплавленій сталі зі шкідливими елементами, такими як кисень і сірка, можуть частково затримуватися в розплавленій сталі та перетворюватися на включення сталі з високою температурою плавлення. Ці включення можуть використовуватися як гетерогенні центри зародкоутворення під час затвердіння розплавленої сталі, покращуючи таким чином форму та структуру сталі.

③ Мікролегування: якщо додавання рідкісноземельних елементів збільшити, то залишки рідкісноземельних елементів розчиняться у сталі після завершення вищезазначеного очищення та метаморфізму. Оскільки атомний радіус рідкісноземельних елементів більший, ніж у атома заліза, рідкісноземельні елементи мають вищу поверхневу активність. Під час процесу затвердіння розплавленої сталі рідкісноземельні елементи збагачуються на межі зерен, що може краще зменшити сегрегацію домішкових елементів на межі зерен, таким чином зміцнюючи твердий розчин і відіграючи роль мікролегування. З іншого боку, завдяки характеристикам зберігання водню рідкісноземельні елементи можуть поглинати водень у сталі, тим самим ефективно покращуючи явище водневого окрихчення сталі.

④ Покращення корозійної стійкості: Додавання рідкоземельних елементів також може покращити корозійну стійкість сталі. Це пояснюється тим, що рідкоземельні елементи мають вищий потенціал самокорозії, ніж нержавіюча сталь. Отже, додавання рідкоземельних елементів може збільшити потенціал самокорозії нержавіючої сталі, тим самим покращуючи стійкість сталі в агресивних середовищах.

2). Ключове патентне дослідження

Ключовий патент: патент на винахід низькоактиваційної сталі, зміцненої дисперсією оксидів, та методу її отримання, виданий Інститутом металів Китайської академії наук

Анотація до патенту: Запропоновано дисперсійно зміцнену оксидну низькоактиваційну сталь, придатну для термоядерних реакторів, та спосіб її отримання, що характеризується тим, що відсоток легуючих елементів у загальній масі низькоактиваційної сталі 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% та 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 обволіканням порошку, формування для затвердіння, гаряча прокатка та термічна обробка.

Метод додавання рідкоземельних елементів: додавання нанорозмірних елементівY2O3частинок до розпиленого порошку основного сплаву для високоенергетичного кульового помелу, при цьому середовищем для кульового помелу є кулі з твердої сталі змішаного розміру Φ 6 та Φ 10, в атмосфері кульового помелу з 99,99% аргону, масове співвідношення матеріалу куль (8-10): 1, час кульового помелу 40-70 годин та 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 × 10⁻²⁻²⁷ кг, що в 1838 разів перевищує електронну масу. Їх радіус приблизно 0,8 × 10⁻¹⁰ м, розміром вони подібні до протона, подібні до γ-променів, які також не мають заряду. Коли нейтрони взаємодіють з речовиною, вони взаємодіють переважно з ядерними силами всередині ядра, а не з електронами на зовнішній оболонці.

Зі швидким розвитком ядерної енергетики та технології ядерних реакторів все більше уваги приділяється безпеці ядерного випромінювання та захисту від нього. Для посилення радіаційного захисту операторів, які тривалий час займалися обслуговуванням радіаційного обладнання та рятувальними роботами, розробка легких захисних композитів для захисного одягу має велике наукове та економічне значення. Нейтронне випромінювання є найважливішою частиною випромінювання ядерного реактора. Як правило, більшість нейтронів, що безпосередньо контактують з людьми, сповільнюються до низькоенергетичних нейтронів після нейтронного екранування конструкційними матеріалами всередині ядерного реактора. Низькоенергетичні нейтрони пружно стикаються з ядрами з нижчим атомним номером і продовжують сповільнюватися. Сповільнені теплові нейтрони поглинаються елементами з більшим поперечним перерізом поглинання нейтронів, і врешті-решт буде досягнуто нейтронного екранування.

② Ключове патентне дослідження

Пористі та органічно-неорганічні гібридні властивостірідкоземельний елементгадолінійМатеріали на основі металоорганічного каркасу підвищують свою сумісність з поліетиленом, що сприяє підвищенню вмісту та дисперсії гадолінію в синтезованих композитних матеріалах. Високий вміст та дисперсія гадолінію безпосередньо впливають на нейтронно-ефективні властивості композитних матеріалів.

Ключовий патент: Хефейський інститут матеріалознавства Китайської академії наук, патент на винахід композитного захисного матеріалу на основі органічного каркасу на основі гадолінію та методу його отримання

Анотація до патенту: Металоорганічний скелетний композитний захисний матеріал на основі гадолінію - це композитний матеріал, утворений шляхом змішуваннягадолінійМеталоорганічний каркасний матеріал на основі поліетилену у ваговому співвідношенні 2:1:10 та формування його шляхом випаровування розчинника або гарячого пресування. Композитні захисні матеріали на основі металоорганічного каркасу на основі гадолінію мають високу термостабільність та здатність екранувати теплові нейтрони.

Виробничий процес: вибір різнихметалевий гадолінійсолі та органічні ліганди для приготування та синтезу різних типів металоорганічних каркасних матеріалів на основі гадолінію, промивання їх малими молекулами метанолу, етанолу або води шляхом центрифугування та активація їх при високій температурі у вакуумі для повного видалення залишкової непрореагованої сировини в порах металоорганічних каркасних матеріалів на основі гадолінію; металоорганічний каркасний матеріал на основі гадолінію, підготовлений на етапі, перемішують з поліетиленовим лосьйоном на високій швидкості або ультразвуком, або металоорганічний каркасний матеріал на основі гадолінію, підготовлений на етапі, змішують у розплаві з поліетиленом надвисокої молекулярної маси при високій температурі до повного перемішування; поміщають рівномірно перемішану суміш металоорганічного каркасного матеріалу на основі гадолінію та поліетилену у форму та отримують сформований композитний захисний матеріал на основі металоорганічного каркасу на основі гадолінію шляхом сушіння для сприяння випаровуванню розчинника або гарячого пресування; Підготовлений композитний захисний матеріал на основі металоорганічного каркасу на основі гадолінію має значно покращену термостійкість, механічні властивості та кращу 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 координаційною полімеризацієюGd (NO3)3 • 6H2O або GdCl3 • 6H2Oта органічний карбоксилатний ліганд; Розмір металоорганічного скелетного матеріалу на основі гадолінію становить 50 нм-2 мкм; металоорганічні скелетні матеріали на основі гадолінію мають різну морфологію, включаючи гранулярну, стрижневу або голкоподібну форму.

(4) ЗастосуванняСкандійу радіохімії та ядерній промисловості

Металевий скандій має добру термічну стабільність та сильні характеристики поглинання фтору, що робить його незамінним матеріалом в атомній енергетиці.

Ключовий патент: Пекінський інститут аерокосмічних розробок Китаю, патент на винахід сплаву алюмінію, цинку, магнію та скандію та спосіб його отримання

Анотація патенту: Алюміній-цинкмагнієво-скандієвий сплавта спосіб його отримання. Хімічний склад та 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 окремо ≤ 0,05%, інші домішки загалом ≤ 0,15%, а решта - Al. Мікроструктура цього сплаву алюмінію-цинку-магнію-скандію однорідна, а його характеристики стабільні, з межею міцності на розрив понад 400 МПа, межею текучості понад 350 МПа та межею міцності на розрив зварних з'єднань понад 370 МПа. Цей матеріал може використовуватися як конструкційні елементи в аерокосмічній, ядерній промисловості, транспорті, виробництві спортивних товарів, зброї та інших галузях.

Процес виробництва: Крок 1, інгредієнт відповідно до вищезазначеного складу сплаву; Крок 2: Плавлення в плавильній печі за температури 700 ℃~780 ℃; Крок 3: Рафінування повністю розплавленого металевого рідкого матеріалу та підтримка температури металу в діапазоні 700 ℃~750 ℃ ​​під час рафінування; Крок 4: Після рафінування його слід повністю витримати; Крок 5: Після повного витримування розпочати лиття, підтримувати температуру печі в діапазоні 690 ℃~730 ℃, а швидкість лиття – 15-200 мм/хвилину; Крок 6: Виконання гомогенізаційного відпалу на злитці сплаву в нагрівальній печі за температури гомогенізації 400 ℃~470 ℃; Крок 7: Очищення гомогенізованого злитка та проведення гарячої екструзії для отримання профілів з товщиною стінки понад 2,0 мм. Під час процесу екструзії заготовку слід підтримувати при температурі від 350 ℃ до 410 ℃; Крок 8: Стиснення профілю для обробки гартуванням на розчин, при температурі розчину 460-480 ℃; Крок 9: Після 72 годин гартування на твердий розчин, ручне примусове старіння. Система ручного примусового старіння: 90~110 ℃/24 години + 170~180 ℃/5 годин або 90~110 ℃/24 години + 145~155 ℃/10 годин.

5. Короткий зміст дослідження

Загалом, рідкісноземельні елементи широко використовуються в ядерному синтезі та ядерному поділі, і мають багато патентних заявок у таких технічних напрямках, як рентгенівське збудження, утворення плазми, легководні реактори, трансуран, ураніл та оксидний порошок. Що стосується реакторних матеріалів, то рідкісноземельні елементи можуть бути використані як конструкційні матеріали для реакторів та пов'язані з ними керамічні ізоляційні матеріали, контрольні матеріали та матеріали для захисту від нейтронного випромінювання.


Час публікації: 26 травня 2023 р.