Aplicación de elementos de terras raras en materiais nucleares

1、 Definición de materiais nucleares

Nun sentido amplo, material nuclear é o termo xeral para os materiais utilizados exclusivamente na industria nuclear e na investigación científica nuclear, incluíndo o combustible nuclear e os materiais de enxeñería nuclear, é dicir, os materiais non nucleares.

Os materiais nucleares comúnmente referidos refírense principalmente a materiais utilizados en varias partes do reactor, tamén coñecidos como materiais do reactor. Os materiais do reactor inclúen combustible nuclear que sofre fisión nuclear baixo bombardeo de neutróns, materiais de revestimento para compoñentes de combustible nuclear, refrixerantes, moderadores de neutróns (moderadores), materiais de varas de control que absorben fortemente neutróns e materiais reflectores que impiden a fuga de neutróns fóra do reactor.

2、 Relación asociada entre os recursos de terras raras e os recursos nucleares

A monacita, tamén chamada fosfocerita e fosfocerita, é un mineral accesorio común na rocha ígnea ácida intermedia e na rocha metamórfica. A monacita é un dos principais minerais do mineral metálico de terras raras, e tamén existe nalgunha rocha sedimentaria. Vermello pardusco, amarelo, ás veces amarelo pardusco, cun brillo graxo, escisión completa, dureza Mohs de 5-5,5 e gravidade específica de 4,9-5,5.

O mineral principal dalgúns depósitos de terras raras de tipo placer en China é a monacita, localizada principalmente en Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan e He County, Guangxi. Non obstante, a extracción de recursos de terras raras de tipo placer moitas veces non ten importancia económica. As pedras solitarias a miúdo conteñen elementos reflexivos de torio e tamén son a principal fonte de plutonio comercial.

3、 Visión xeral da aplicación de terras raras na fusión nuclear e a fisión nuclear baseada na análise panorámica de patentes

Despois de que as palabras clave dos elementos de busca de terras raras estean totalmente expandidas, combínanse coas claves de expansión e os números de clasificación de fisión nuclear e fusión nuclear e búscanse na base de datos Incopt. A data de busca é o 24 de agosto de 2020. Obtivéronse 4837 patentes tras unha simple fusión familiar e determináronse 4673 patentes tras a redución artificial do ruído.

As solicitudes de patentes de terras raras no campo da fisión nuclear ou a fusión nuclear distribúense en 56 países/rexións, concentrados principalmente en Xapón, China, Estados Unidos, Alemaña e Rusia, etc. Aplícanse un número considerable de patentes en forma de PCT. , das que as solicitudes de tecnoloxía de patentes chinesas foron aumentando, sobre todo desde 2009, entrando nunha etapa de rápido crecemento, e Xapón, Estados Unidos e Rusia seguiron trazando neste campo durante moitos anos (Figura 1).

Figura 1 Tendencia de aplicación de patentes tecnolóxicas relacionadas coa aplicación de terras raras na fisión nuclear nuclear e na fusión nuclear en países/rexións

A partir da análise de temas técnicos pódese ver que a aplicación das terras raras na fusión nuclear e na fisión nuclear céntrase nos elementos combustibles, escintiladores, detectores de radiación, actínidos, plasmas, reactores nucleares, materiais de blindaxe, absorción de neutróns e outras direccións técnicas.

4、 Aplicacións específicas e investigación de patentes clave de elementos de terras raras en materiais nucleares

Entre elas, a fusión nuclear e as reaccións de fisión nuclear en materiais nucleares son intensas e os requisitos para os materiais son estritos. Na actualidade, os reactores de potencia son principalmente reactores de fisión nuclear, e os reactores de fusión poden popularizarse a gran escala despois de 50 anos. A aplicación deterra raraelementos nos materiais estruturais do reactor; En campos químicos nucleares específicos, os elementos de terras raras utilízanse principalmente en barras de control; Ademais,escandiotamén se utilizou na radioquímica e na industria nuclear.

（1） Como veleno combustible ou varilla de control para axustar o nivel de neutróns e o estado crítico do reactor nuclear

Nos reactores de potencia, a reactividade residual inicial dos novos núcleos é xeralmente relativamente alta. Especialmente nas primeiras etapas do primeiro ciclo de reabastecemento, cando todo o combustible nuclear do núcleo é novo, a reactividade restante é a máis alta. Neste punto, confiar só en aumentar as barras de control para compensar a reactividade residual introduciría máis barras de control. Cada barra de control (ou paquete de varillas) corresponde á introdución dun complexo mecanismo de condución. Por unha banda, isto aumenta os custos e, por outra banda, abrir orificios na cabeza do recipiente a presión pode provocar unha diminución da resistencia estrutural. Non só é antieconómico, senón que tampouco se permite ter unha certa cantidade de porosidade e resistencia estrutural na cabeza do recipiente a presión. Non obstante, sen aumentar as barras de control, é necesario aumentar a concentración de toxinas compensadoras químicas (como o ácido bórico) para compensar a reactividade restante. Neste caso, é fácil que a concentración de boro supere o limiar e o coeficiente de temperatura do moderador volverase positivo.

Para evitar os problemas mencionados anteriormente, xeralmente pódese usar unha combinación de toxinas combustibles, barras de control e control de compensación química para o control.

（2） Como dopante para mellorar o rendemento dos materiais estruturais do reactor

Os reactores requiren que os compoñentes estruturais e os elementos combustibles teñan un certo nivel de resistencia, resistencia á corrosión e alta estabilidade térmica, ao tempo que evitan que os produtos de fisión entren no refrixerante.

1) .Aceiro de terras raras

O reactor nuclear ten condicións físicas e químicas extremas, e cada compoñente do reactor tamén ten altos requisitos para o aceiro especial utilizado. Os elementos de terras raras teñen efectos especiais de modificación no aceiro, incluíndo principalmente a purificación, o metamorfismo, a microaliación e a mellora da resistencia á corrosión. Os aceiros que conteñen terras raras tamén son moi utilizados nos reactores nucleares.

① Efecto de purificación: as investigacións existentes demostraron que as terras raras teñen un bo efecto de purificación no aceiro fundido a altas temperaturas. Isto débese a que as terras raras poden reaccionar con elementos nocivos como osíxeno e xofre no aceiro fundido para xerar compostos a alta temperatura. Os compostos de alta temperatura poden precipitarse e descargarse en forma de inclusións antes de que o aceiro fundido se condense, reducindo así o contido de impurezas no aceiro fundido.

② Metamorfismo: por outra banda, os óxidos, sulfuros ou oxisulfuros xerados pola reacción de terras raras no aceiro fundido con elementos nocivos como osíxeno e xofre poden ser parcialmente retidos no aceiro fundido e converterse en inclusións de aceiro con alto punto de fusión. . Estas inclusións pódense utilizar como centros de nucleación heteroxéneos durante a solidificación do aceiro fundido, mellorando así a forma e estrutura do aceiro.

③ Microaliación: se se aumenta aínda máis a adición de terras raras, as terras raras restantes disolveranse no aceiro despois de completar a purificación e o metamorfismo anteriores. Dado que o radio atómico das terras raras é maior que o do átomo de ferro, as terras raras teñen maior actividade superficial. Durante o proceso de solidificación do aceiro fundido, os elementos de terras raras enriquécense no límite do gran, o que pode reducir mellor a segregación de elementos impurezas no límite do gran, reforzando así a solución sólida e desempeñando o papel de microaliación. Por outra banda, debido ás características de almacenamento de hidróxeno das terras raras, poden absorber hidróxeno no aceiro, mellorando así de forma efectiva o fenómeno de fragilización do hidróxeno do aceiro.

④ Mellora da resistencia á corrosión: a adición de elementos de terras raras tamén pode mellorar a resistencia á corrosión do aceiro. Isto débese a que as terras raras teñen un maior potencial de autocorrosión que o aceiro inoxidable. Polo tanto, a adición de terras raras pode aumentar o potencial de autocorrosión do aceiro inoxidable, mellorando así a estabilidade do aceiro en medios corrosivos.

2). Estudo de patentes clave

Patente clave: patente de invención dun aceiro de baixa activación reforzado con dispersión de óxidos e o seu método de preparación polo Instituto de Metais da Academia Chinesa de Ciencias

Resumo de patente: preséntase un aceiro de baixa activación reforzado por dispersión de óxidos axeitado para reactores de fusión e o seu método de preparación, caracterizado porque a porcentaxe de elementos de aliaxe na masa total do aceiro de baixa activación é: a matriz é 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 % e 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.

Proceso de fabricación: fundición de aliaxes nai Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomización de po, molienda de bolas de alta enerxía da aliaxe nai eNanopartícula Y2O3po mixto, extracción envolvente de po, moldaxe por solidificación, laminación en quente e tratamento térmico.

Método de adición de terras raras: engadir nanoescalaY2O3partículas ao po atomizado de aliaxe principal para moenda de bolas de alta enerxía, sendo o medio de moenda de bolas bolas de aceiro duro mixtas Φ 6 e Φ 10, cunha atmosfera de molienda de bolas de gas argón do 99,99 %, unha relación de masa de material de bola de (8-8). 10): 1, un tempo de fresado de bolas de 40-70 horas e unha velocidade de rotación de 350-500 r/min.

3）.Usado para fabricar materiais de protección contra a radiación de neutróns

① Principio de protección contra a radiación de neutróns

Os neutróns son compoñentes dos núcleos atómicos, cunha masa estática de 1,675 × 10-27 kg, que é 1838 veces a masa electrónica. O seu raio é de aproximadamente 0,8 × 10-15 m, de tamaño similar a un protón, semellante a γ. Os raios γ están igualmente sen carga. Cando os neutróns interactúan coa materia, interactúan principalmente coas forzas nucleares dentro do núcleo, e non interactúan cos electróns da capa exterior.

Co rápido desenvolvemento da enerxía nuclear e da tecnoloxía dos reactores nucleares, prestouse cada vez máis atención á seguridade da radiación nuclear e á protección contra a radiación nuclear. Co fin de reforzar a protección radiolóxica dos operadores que levan moito tempo dedicados ao mantemento de equipos de radiación e ao rescate de accidentes, é de gran importancia científica e valor económico desenvolver compostos de blindaxe lixeiros para roupa de protección. A radiación de neutróns é a parte máis importante da radiación do reactor nuclear. Xeralmente, a maioría dos neutróns en contacto directo cos seres humanos foron reducidos a neutróns de baixa enerxía despois do efecto de apantallamento de neutróns dos materiais estruturais dentro do reactor nuclear. Os neutróns de baixa enerxía chocarán con núcleos con menor número atómico de forma elástica e seguirán sendo moderados. Os neutróns térmicos moderados serán absorbidos por elementos con seccións transversais de absorción de neutróns máis grandes e, finalmente, conseguirase un blindaxe de neutróns.

② Estudo de patentes clave

As propiedades híbridas porosas e orgánicas-inorgánicas deelemento de terras rarasgadolinioOs materiais de esqueleto orgánico a base de metal aumentan a súa compatibilidade co polietileno, promovendo que os materiais compostos sintetizados teñan un maior contido de gadolinio e dispersión de gadolinio. O alto contido e dispersión de gadolinio afectarán directamente o rendemento de blindaxe de neutróns dos materiais compostos.

Patente clave: Instituto Hefei de Ciencia dos Materiales, Academia Chinesa de Ciencias, patente de invención dun material de blindaxe composto de armazón orgánico a base de gadolinio e o seu método de preparación

Resumo de patente: o material de blindaxe composto de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio é un material composto formado pola mesturagadoliniomaterial de esqueleto orgánico de metal a base de polietileno nunha proporción de peso de 2:1:10 e formándoo mediante evaporación do disolvente ou prensado en quente. Os materiais de blindaxe compostos de esqueleto orgánico de metal baseado en gadolinio teñen unha alta estabilidade térmica e capacidade de apantallamento de neutróns térmicos.

Proceso de fabricación: selección de diferentesgadolinio metálicosales e ligandos orgánicos para preparar e sintetizar diferentes tipos de materiais de esqueleto orgánico metálico a base de gadolinio, lavándoos con pequenas moléculas de metanol, etanol ou auga por centrifugación e activándoos a alta temperatura en condicións de baleiro para eliminar completamente as materias primas residuais sen reaccionar. nos poros dos materiais de esqueleto orgánicos metálicos a base de gadolinio; O material de esqueleto organometálico a base de gadolinio preparado no paso métese con loção de polietileno a alta velocidade ou ultrasóns, ou o material de esqueleto organometálico a base de gadolinio preparado no paso é mesturado con polietileno de peso molecular ultra alto a alta temperatura ata que estea completamente mesturado; Coloque o material de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio/mestura de polietileno uniformemente mesturado no molde e obtén o material de blindaxe composto de esqueleto de metal a base de gadolinio formado secando para favorecer a evaporación do disolvente ou o prensado en quente; O material de blindaxe composto de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio mellorou significativamente a resistencia á calor, as propiedades mecánicas e a capacidade de blindaxe de neutróns térmicos superiores en comparación cos materiais de polietileno puro.

Modo de adición de terras raras: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 ou Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 polímero de coordinación cristalino poroso que contén gadolinio, que se obtén pola polimerización de coordinación deGd (NO3) 3 • 6H2O ou GdCl3 • 6H2Oe ligando carboxilato orgánico; O tamaño do material de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio é de 50 nm-2 μm; os materiais de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio teñen diferentes morfoloxías, incluíndo formas granulares, en forma de vara ou en forma de agulla.

(4) Aplicación deEscandioen Radioquímica e industria nuclear

O escandio metal ten unha boa estabilidade térmica e un forte rendemento de absorción de flúor, polo que é un material indispensable na industria da enerxía atómica.

Patente clave: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patente de invención para unha aliaxe de aluminio, cinc, magnesio, escandio e o seu método de preparación.

Resumo de patente: un zinc de aluminioaliaxe de escandio de magnesioe o seu método de preparación. A composición química e a porcentaxe en peso da aliaxe de aluminio, cinc, magnesio, escandio son: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, impurezas Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, outras impurezas único ≤ 0,05%, outras impurezas totais ≤ 0,15% e a cantidade restante é Al. A microestrutura deste material de aliaxe de aluminio, cinc, magnesio, escandio, é uniforme e o seu rendemento é estable, cunha resistencia á tracción máxima de máis de 400 MPa, un límite de fluencia superior a 350 MPa e unha resistencia á tracción superior a 370 MPa para xuntas soldadas. Os produtos materiais pódense utilizar como elementos estruturais na industria aeroespacial, nuclear, transporte, artigos deportivos, armas e outros campos.

Proceso de fabricación: Paso 1, ingrediente segundo a composición da aliaxe anterior; Paso 2: derreter no forno de fundición a unha temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Paso 3: refinar o líquido metálico completamente derretido e manter a temperatura do metal dentro do intervalo de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante o refino; Paso 4: Despois do refinado, débese deixar completamente parado; Paso 5: despois de estar totalmente en pé, comeza a fundición, mantén a temperatura do forno dentro do intervalo de 690 ℃ ~ 730 ℃ e a velocidade de fundición é de 15-200 mm/minuto; Paso 6: Realice o tratamento de recocido de homoxeneización no lingote de aliaxe no forno de calefacción, cunha temperatura de homoxeneización de 400 ℃ ~ 470 ℃; Paso 7: Pelar o lingote homoxeneizado e realizar unha extrusión en quente para producir perfís cun grosor de parede superior a 2,0 mm. Durante o proceso de extrusión, o tocho debe manterse a unha temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Paso 8: espremer o perfil para o tratamento de extinción da solución, cunha temperatura da solución de 460-480 ℃; Paso 9: despois de 72 horas de extinción da solución sólida, forza o envellecemento manualmente. O sistema manual de envellecemento da forza é: 90~110 ℃/24 horas+170~180 ℃/5 horas, ou 90~110 ℃/24 horas+145~155 ℃/10 horas.

5, Resumo da investigación

En xeral, as terras raras son amplamente utilizadas na fusión nuclear e na fisión nuclear, e teñen moitas patentes en direccións técnicas como a excitación de raios X, a formación de plasma, o reactor de auga lixeira, o transuranio, o uranilo e o po de óxido. En canto aos materiais do reactor, as terras raras pódense usar como materiais estruturais do reactor e materiais de illamento cerámico relacionados, materiais de control e materiais de protección contra a radiación de neutróns.