Aplicación de elementos de terra rara en materiais nucleares

1 、 Definición de materiais nucleares

En sentido amplo, o material nuclear é o termo xeral dos materiais empregados exclusivamente na industria nuclear e na investigación científica nuclear, incluídos combustibles nucleares e materiais de enxeñería nuclear, é dicir, materiais non combustibles nucleares.

Os materiais nucleares comúnmente referidos refírense principalmente a materiais empregados 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 vara de control que absorben fortemente os neutróns e materiais reflectantes que evitan as fugas de neutróns fóra do reactor.

2 、 Relación asociada a CO entre recursos de terra rara e recursos nucleares

O monazite, tamén chamado fosfocerito e fosfocerita, é un mineral accesorio común en rocha ígna e rocha metamórfica. O monazite é un dos principais minerais do mineral de metal de terra rara e tamén existe nalgunha rocha sedimentaria. Vermello marrón, amarelo, ás veces amarelo marrón, cun brillo graxo, escisión completa, dureza de Mohs de 5-5,5 e gravidade específica de 4,9-5,5.

O mineral principal de mineral dalgúns depósitos de terra rara en China é Monazite, situado principalmente en Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan e He County, Guangxi. Non obstante, a extracción de recursos de terra rara de tipo raros a miúdo non ten importancia económica. As pedras solitarias a miúdo conteñen elementos de torio reflexivos e tamén son a principal fonte de plutonio comercial.

3 、 Visión xeral da aplicación de terra rara en fusión nuclear e fisión nuclear baseada na análise panorámica de patentes

Despois de que as palabras clave dos elementos de busca de terra rara se amplíen completamente, combínanse coas claves de expansión e o número de clasificación de fisión nuclear e fusión nuclear e buscados na base de datos Incapt. A data de busca é o 24 de agosto de 2020. Obtivéronse 4837 patentes despois da simple fusión familiar e 4673 patentes determináronse despois da redución de ruído artificial.

As solicitudes de patentes de terra rara no campo da fisión nuclear ou a fusión nuclear distribúense en 56 países/rexións, concentradas principalmente en Xapón, China, Estados Unidos, Alemaña e Rusia, etc. Un número considerable de patentes aplícanse en forma de estadio de PCT, dos que as solicitudes de tecnoloxía de chinés continuaron, especialmente desde 2009, entrando durante moitos anos.

Figura 1 Aplicación Tendencia das patentes tecnolóxicas relacionadas coa aplicación de terra rara na fisión nuclear nuclear e fusión nuclear en países/rexións

Pódese ver na análise de temas técnicos que a aplicación da terra rara na fusión nuclear e a fisión nuclear céntrase en elementos de combustible, escintilantes, detectores de radiación, actínidos, plasmas, reactores nucleares, materiais de blindaje, absorción de neutrones e outras direccións técnicas.

4 、 Aplicacións específicas e investigación clave de patente de elementos de terra rara en materiais nucleares

Entre eles, as reaccións de fusión nuclear e 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 en materiais estruturais do reactor; En campos químicos nucleares específicos, os elementos da terra rara úsanse principalmente nas barras de control; Ademais,ScandiumTamén se empregou na radioquímica e na industria nuclear.

（1） como veleno combustible ou vara 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 repostos, cando todo o combustible nuclear no núcleo é novo, a reactividade restante é a máis alta. Neste momento, confiar só no aumento das barras de control para compensar a reactividade residual introduciría máis barras de control. Cada varilla de control (ou paquete de varilla) corresponde á introdución dun mecanismo de condución complexo. Por unha banda, isto aumenta os custos e, por outra banda, a apertura de buracos na cabeza de vaso de presión pode levar a unha diminución da resistencia estrutural. Non só é económico, senón que tampouco se permite ter unha certa porosidade e resistencia estrutural na cabeza do vaso 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 será positivo.

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

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

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

1).

O reactor nuclear ten condicións físicas e químicas extremas e cada compoñente do reactor tamén ten altos requisitos para o aceiro especial empregado. Os elementos da terra rara teñen efectos especiais de modificación sobre o aceiro, incluíndo principalmente a purificación, o metamorfismo, a microaloga e a mellora da resistencia á corrosión. A terra rara que contén aceiros tamén se usan amplamente nos reactores nucleares.

① Efecto de purificación: A investigación existente demostrou que as terras raras teñen un bo efecto de purificación sobre o aceiro fundido a altas temperaturas. Isto débese a que as terras raras poden reaccionar con elementos nocivos como o osíxeno e o xofre no aceiro fundido para xerar compostos de alta temperatura. Os compostos de alta temperatura pódense precipitar e descargarse en forma de inclusións antes dos condensos de aceiro fundido, reducindo así o contido de impureza no aceiro fundido.

② Metamorfismo: por outra banda, os óxidos, sulfuros ou oxisulfuros xerados pola reacción da terra rara no aceiro fundido con elementos nocivos como o osíxeno e o xofre poden conservarse parcialmente no aceiro fundido e converterse en inclusións de aceiro con alto punto de fusión. Estas inclusións pódense usar como centros de nucleación heteroxénea durante a solidificación do aceiro fundido, mellorando así a forma e a estrutura do aceiro.

③ Microaloying: Se se aumenta aínda máis a adición de terra rara, a terra rara restante disolverase no aceiro despois da purificación e metamorfismo anterior. Dado que o radio atómico da terra rara é maior que o do átomo de ferro, a terra rara ten maior actividade superficial. Durante o proceso de solidificación de aceiro fundido, os elementos da Terra rara son enriquecidos no límite do gran, o que pode reducir mellor a segregación de elementos de impureza no límite do gran, fortalecendo así a solución sólida e xogando o papel da microaloga. Por outra banda, debido ás características de almacenamento de hidróxeno das terras raras, poden absorber o hidróxeno no aceiro, mellorando efectivamente o fenómeno de aceiro de aceiro.

④ Mellorar a resistencia á corrosión: a adición de elementos da terra rara tamén pode mellorar a resistencia á corrosión do aceiro. Isto é debido a que as terras raras teñen un maior potencial de auto -corrosión que o aceiro inoxidable. Polo tanto, a adición de terras raras pode aumentar o potencial de corrosión do aceiro inoxidable, mellorando así a estabilidade do aceiro nos medios corrosivos.

2). Estudo clave de patente

Patente clave: Patente de invención dunha dispersión de óxido reforzou o aceiro de baixa activación e o seu método de preparación polo Instituto de Metales, Academia Chinesa de Ciencias

Abstracto de patente: fornecido é unha dispersión de óxido reforzada o aceiro de baixa activación adecuado para os reactores de fusión e o seu método de preparación, caracterizado en que 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 ≤ 1,5%, 0,1% ≤ V≤ 10,0%, 0,3%, 0,1% ≤ 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,1. ≤ TA ≤ 0,2%, 0,1 ≤ Mn ≤ 0,6%e 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Proceso de fabricación: fundición de alia de alia de fe-cr-wv-ta-mn, atomización en po, moto de bola de alta enerxía da aliaxe nai eNanopartícula Y2O3Po mixto, extracción de envoltura en po, moldura de solidificación, rolamento en quente e tratamento térmico.

Método de adición de terra rara: Engadir a escala nanoY2O3Partículas para o po atomizado de aliaxe pai para o fresado de bólas de alta enerxía, sendo o medio de fresado de bólas φ 6 e φ 10 bolas de aceiro duro mesturadas, cunha atmosfera de fresado de bólas de 99,99% de gas, unha relación de masa de balón de (8-10): 1, un tempo de fresado de bóla de 40-70 horas e unha velocidade rotativa de 350-500 R/Min.

3）. Utilizado para facer materiais de protección da radiación de neutróns

① Principio de protección da radiación de neutróns

Os neutrones son compoñentes de núcleos atómicos, cunha masa estática de 1.675 × 10-27kg, que é 1838 veces a masa electrónica. O seu radio é de aproximadamente 0,8 × 10-15m, de tamaño similar a un protón, similar aos raios γ non son igualmente cargados. Cando os neutrones interactúan coa materia, interactúan principalmente coas forzas nucleares dentro do núcleo e non interactúan cos electróns da cuncha exterior.

Co rápido desenvolvemento da tecnoloxía nuclear e da tecnoloxía do reactor nuclear, prestouse cada vez máis atención á seguridade da radiación nuclear e á protección da radiación nuclear. Para fortalecer a protección da radiación para os operadores que estiveron dedicados ao mantemento de equipos de radiación e ao rescate de accidentes durante moito tempo, é de gran importancia científica e valor económico desenvolver compostos de protección lixeiros para a roupa de protección. A radiación de neutróns é a parte máis importante da radiación do reactor nuclear. Xeralmente, a maioría dos neutrones en contacto directo cos seres humanos diminuíron a neutróns de baixa enerxía despois do efecto de blindaje de neutróns dos materiais estruturais dentro do reactor nuclear. Os neutrones de baixa enerxía chocan con núcleos con menor número atómico elásticamente e seguirán moderándose. Os neutrones térmicos moderados serán absorbidos por elementos con seccións cruzadas de absorción de neutróns máis grandes e conseguirase finalmente o blindaje de neutróns.

② Estudo de patentes clave

As propiedades híbridas porosas e orgánicas inorgánicas deelemento de terra raraGadolinioOs materiais de esqueleto orgánico metálicos baseados aumentan a súa compatibilidade co polietileno, promovendo os materiais compostos sintetizados para ter maior contido en gadolinio e dispersión de gadolinio. O alto contido en gadolinio e a dispersión afectarán directamente ao rendemento de blindaje de neutróns dos materiais compostos.

Patente clave: Instituto Hefei de Ciencias Materiais, Academia Chinesa de Ciencias, Patente de invención dunha marco orgánico baseado en gadolinio Material de blindaje composto e o seu método de preparación

Resumo da patente: o material de blindaje composto de esqueleto orgánico metálico baseado en gadolinio é un material composto formado por mesturarGadolinioMaterial de esqueleto orgánico metálico baseado con polietileno nunha relación de peso de 2: 1: 10 e formándoo mediante evaporación de disolventes ou prensado en quente. Os materiais de blindaje composto de esqueleto orgánico baseado en metal con gadolinio teñen alta estabilidade térmica e capacidade de blindaje de neutrones térmicos.

Proceso de fabricación: seleccionar diferentesMetal de gadolinioAs sales e os ligandos orgánicos para preparar e sintetizar diferentes tipos de materiais de esqueleto orgánico metálico a base de gadolinio, lavalos con pequenas moléculas de metanol, etanol ou auga por centrifugación e activalas a alta temperatura en condicións de baleiro para eliminar totalmente o material bruto inacableado en materia de gadolinio. O material de esqueleto organometálico baseado en gadolinio preparado no paso é axitado con loción de polietileno a alta velocidade, ou ultrasonicamente, ou o material de esqueleto organometálico baseado en gadolinio preparado no paso está mesturado con polietileno de peso molecular de alto peso ultra-alto a temperatura ata que se mestura; Coloque o material de esqueleto orgánico de metal baseado en gadolinio uniformemente mesturado/mestura de polietileno no molde e obtén o material de blindaje composto de esqueleto orgánico baseado en gadolinio formado material de blindaje composto ao secar para promover a evaporación de disolventes ou a prensado en quente; O material de blindaje composto de esqueleto orgánico de metal baseado en gadolinio preparado mellorou significativamente a resistencia á calor, as propiedades mecánicas e a capacidade de blindaxe térmica superior térmica en comparación cos materiais de polietileno puro.

Modo de adición de terra rara: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 ou GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 polímero de coordinación cristalina porosa que contén gadolinio, que se obtén mediante polimerización de coordinación deGD (NO3) 3 • 6H2O ou GDCL3 • 6H2Oe ligando carboxilato orgánico; O tamaño do material de esqueleto orgánico metálico baseado en gadolinio é de 50 nm-2 μ m ； materiais de esqueleto orgánico metálico baseado en gadolinio teñen diferentes morfoloxías, incluíndo formas de granular, en forma de varilla ou en forma de agulla.

（4） Aplicación deScandiumen radioquímica e industria nuclear

Scandium Metal ten unha boa estabilidade térmica e un forte rendemento de absorción de flúor, o que o converte nun material indispensable na industria da enerxía atómica.

Patente clave: China Desenvolvemento aeroespacial Beijing Institute of Aeronáutico Materiais, Patente de invención para unha aleación de escandio de magnesio de aluminio de aluminio e o seu método de preparación

Resumo de patentes: un cinc de aluminioAleación de Scandium de magnesioe o seu método de preparación. A composición química e a porcentaxe de peso da aliaxe de scandium de magnesio de aluminio son: Mg 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, Zr 0,04%-0,35%, Impurities Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, ≤ 0,4%, outras impostidades ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe. 0,15%, e a cantidade restante é Al. A microestrutura deste material de aliaxe de magnesio de magnesio de magnesio de aluminio é uniforme e o seu rendemento é estable, cunha resistencia á tracción final de máis de 400MPa, unha resistencia de rendemento de máis de 350MPa e unha resistencia á tracción de máis de 370MP para articulacións soldadas. Os produtos materiais poden usarse como elementos estruturais en aeroespacial, industria nuclear, transporte, artigos deportivos, armas e outros campos.

Proceso de fabricación: paso 1, ingrediente segundo a composición de aliaxes anteriores; Paso 2: derrete no forno de fundición a unha temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Paso 3: perfecciona o líquido metálico completamente derretido e manteña a temperatura metálica dentro do rango de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante o perfeccionamento; Paso 4: Despois de perfeccionar, debería permitirse estar parado; Paso 5: Despois de plenamente, comeza a fundir, manteña a temperatura do forno dentro do rango de 690 ℃ ~ 730 ℃ e a velocidade de fundición é de 15-200 mm/minuto; Paso 6: Realice o tratamento de recocido de homoxeneización na lingote de aliaxe no forno de calefacción, cunha temperatura de homoxeneización de 400 ℃ ~ 470 ℃; Paso 7: Pele o lingote homoxeneizado e realice unha extrusión quente para producir perfís cun grosor da parede de máis de 2,0 mm. Durante o proceso de extrusión, o billete debe manterse a unha temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Paso 8: espreme o perfil para o tratamento de eliminación de solucións, cunha temperatura de solución de 460-480 ℃; Paso 9: Despois de 72 horas de eliminación de solucións sólidas, forzan manualmente o envellecemento. O sistema de envellecemento da forza manual 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 moitos esquemas de patentes en direccións técnicas como excitación de raios X, formación de plasma, reactor de auga lixeira, transuranio, uranilo e 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.