1、 Definice jaderných materiálů
V širokém slova smyslu je jaderný materiál obecným pojmem pro materiály používané výhradně v jaderném průmyslu a jaderném vědeckém výzkumu, včetně jaderných paliv a materiálů pro jaderné inženýrství, tj. materiálů pro jiné než jaderné palivo.
Běžně označované jako jaderné materiály se týkají hlavně materiálů používaných v různých částech reaktoru, také známých jako materiály reaktoru. Materiály reaktoru zahrnují jaderné palivo, které podléhá jadernému štěpení při bombardování neutrony, krycí materiály pro součásti jaderného paliva, chladiva, moderátory neutronů (moderátory), materiály řídící tyče, které silně absorbují neutrony, a reflexní materiály, které zabraňují úniku neutronů mimo reaktor.
2、 Spolu související vztah mezi zdroji vzácných zemin a jadernými zdroji
Monazit, také nazývaný fosfocerit a fosfocerit, je běžným doplňkovým minerálem ve středně kyselé magmatické hornině a metamorfované hornině. Monazit je jedním z hlavních minerálů kovové rudy vzácných zemin a také existuje v některých sedimentárních horninách. Hnědočervená, žlutá, někdy hnědožlutá, s mastným leskem, úplná štěpnost, tvrdost podle Mohse 5-5,5 a měrná hmotnost 4,9-5,5.
Hlavním rudním minerálem některých ložisek vzácných zemin typu placer v Číně je monazit, který se nachází hlavně v Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan a He County, Guangxi. Těžba zdrojů vzácných zemin typu placer však často nemá ekonomický význam. Solitérní kameny často obsahují reflexní prvky thoria a jsou také hlavním zdrojem komerčního plutonia.
3、 Přehled aplikací vzácných zemin v jaderné fúzi a jaderném štěpení na základě patentové panoramatické analýzy
Poté, co jsou klíčová slova vyhledávacích prvků vzácných zemin plně rozbalena, jsou kombinována s rozšiřujícími klíči a klasifikačními čísly jaderného štěpení a jaderné fúze a prohledávána v databázi Incopt. Datum vyhledávání je 24. srpna 2020. 4837 patentů bylo získáno po jednoduchém sloučení rodiny a 4673 patentů bylo určeno po umělém snížení hluku.
Patentové přihlášky vzácných zemin v oblasti jaderného štěpení nebo jaderné fúze jsou distribuovány v 56 zemích/regionech, zejména v Japonsku, Číně, Spojených státech, Německu a Rusku atd. Značný počet patentů je aplikován ve formě PCT , z nichž zejména od roku 2009 přibývá přihlášek čínských patentových technologií, které vstoupily do fáze rychlého růstu, a Japonsko, Spojené státy a Rusko pokračovaly v rozvržení této oblasti po mnoho let (obrázek 1).
Obrázek 1 Trend aplikace technologických patentů souvisejících s aplikací vzácných zemin při jaderném štěpení a jaderné fúzi v zemích/regionech
Z analýzy technických témat je vidět, že aplikace vzácných zemin v jaderné fúzi a jaderném štěpení se zaměřuje na palivové články, scintilátory, detektory záření, aktinidy, plazma, jaderné reaktory, stínící materiály, absorpci neutronů a další technické směry.
4、 Specifické aplikace a klíčový patentový výzkum prvků vzácných zemin v jaderných materiálech
Mezi nimi jsou intenzivní reakce jaderné fúze a jaderného štěpení v jaderných materiálech a požadavky na materiály jsou přísné. V současnosti jsou energetickými reaktory převážně jaderné štěpné reaktory a fúzní reaktory mohou být ve velkém měřítku popularizovány po 50 letech. Aplikacevzácných zeminprvky v konstrukčních materiálech reaktorů; Ve specifických jaderných chemických oborech se prvky vzácných zemin používají hlavně v regulačních tyčích; navícskandiumse také používá v radiochemii a jaderném průmyslu.
（1） Jako hořlavý jed nebo regulační tyč pro nastavení úrovně neutronů a kritického stavu jaderného reaktoru
V energetických reaktorech je počáteční zbytková reaktivita nových aktivních jader obecně relativně vysoká. Zejména v raných fázích prvního cyklu výměny paliva, kdy je veškeré jaderné palivo v aktivní zóně nové, je zbývající reaktivita nejvyšší. V tomto bodě by spoléhání pouze na zvýšení regulačních tyčí pro kompenzaci zbytkové reaktivity zavedlo více regulačních tyčí. Každá řídicí tyč (nebo svazek tyčí) odpovídá zavedení složitého hnacího mechanismu. To na jedné straně zvyšuje náklady a na druhé straně může otevření otvorů v hlavě tlakové nádoby vést ke snížení pevnosti konstrukce. Nejen, že je to neekonomické, ale také nesmí mít na hlavě tlakové nádoby určitou poréznost a strukturální pevnost. Avšak bez zvýšení regulačních tyčí je nutné zvýšit koncentraci chemických kompenzačních toxinů (jako je kyselina boritá), aby se kompenzovala zbývající reaktivita. V tomto případě je snadné, aby koncentrace boru překročila prahovou hodnotu a teplotní koeficient moderátoru se stal kladným.
Aby se předešlo výše uvedeným problémům, lze pro kontrolu obecně použít kombinaci hořlavých toxinů, regulačních tyčí a chemické kompenzační regulace.
(2) Jako příměs pro zvýšení výkonu konstrukčních materiálů reaktoru
Reaktory vyžadují, aby konstrukční součásti a palivové články měly určitou úroveň pevnosti, odolnosti proti korozi a vysoké tepelné stability a zároveň bránily štěpným produktům proniknout do chladicí kapaliny.
1) .Ocel ze vzácných zemin
Jaderný reaktor má extrémní fyzikální a chemické podmínky a každá součást reaktoru má také vysoké požadavky na použitou speciální ocel. Prvky vzácných zemin mají speciální modifikační účinky na ocel, zejména včetně čištění, metamorfózy, mikrolegování a zlepšení odolnosti proti korozi. Oceli obsahující vzácné zeminy jsou také široce používány v jaderných reaktorech.
① Čistící efekt: Stávající výzkum ukázal, že vzácné zeminy mají dobrý čistící účinek na roztavenou ocel při vysokých teplotách. Je to proto, že vzácné zeminy mohou reagovat se škodlivými prvky, jako je kyslík a síra v roztavené oceli, za vzniku vysokoteplotních sloučenin. Vysokoteplotní sloučeniny se mohou vysrážet a vypouštět ve formě vměstků předtím, než roztavená ocel zkondenzuje, čímž se sníží obsah nečistot v roztavené oceli.
② Metamorfismus: na druhé straně oxidy, sulfidy nebo oxysulfidy generované reakcí vzácných zemin v roztavené oceli se škodlivými prvky, jako je kyslík a síra, mohou být částečně zadrženy v roztavené oceli a stát se inkluzemi oceli s vysokým bodem tání . Tyto vměstky mohou být použity jako heterogenní nukleační centra během tuhnutí roztavené oceli, čímž se zlepší tvar a struktura oceli.
③ Mikrolegování: pokud se přidávání vzácných zemin dále zvýší, zbývající vzácné zeminy se po dokončení výše uvedeného čištění a metamorfózy rozpustí v oceli. Vzhledem k tomu, že atomový poloměr vzácných zemin je větší než atom železa, má vzácná zemina vyšší povrchovou aktivitu. Během procesu tuhnutí roztavené oceli se na hranici zrn obohacují prvky vzácných zemin, které mohou lépe omezit segregaci příměsových prvků na hranici zrn, čímž se zpevňuje tuhý roztok a hraje roli mikrolegování. Na druhou stranu, vzhledem k vlastnostem uchovávání vodíku u vzácných zemin, mohou absorbovat vodík v oceli, čímž účinně zlepšují jev vodíkové křehkosti oceli.
④ Zlepšení odolnosti proti korozi: Přidání prvků vzácných zemin může také zlepšit odolnost oceli proti korozi. Je to proto, že vzácné zeminy mají vyšší potenciál vlastní koroze než nerezová ocel. Proto může přidání vzácných zemin zvýšit potenciál vlastní koroze nerezové oceli, čímž se zlepší stabilita oceli v korozivních médiích.
2). Klíčová patentová studie
Klíčový patent: patent na vynález nízkoaktivační oceli zpevněné oxidovou disperzí a způsob její přípravy Ústavem kovů, Čínská akademie věd
Abstrakt patentu: Poskytuje se oxidovou disperzí zpevněná nízkoaktivační ocel vhodná pro fúzní reaktory a způsob její přípravy, vyznačující se tím, že procento legujících prvků v celkové hmotnosti nízkoaktivační oceli je: matrice 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 % a 0,05 % < Y203 < 0,5 %.
Výrobní proces: Tavení matečné slitiny Fe-Cr-WV-Ta-Mn, prášková atomizace, vysokoenergetické kulové mletí matečné slitiny aNanočástice Y2O3směsný prášek, extrakce s obalem prášku, tuhnutí, válcování za tepla a tepelné zpracování.
Metoda přidání vzácných zemin: Přidejte nanoměřítkoY2O3částice do atomizovaného prášku základní slitiny pro vysokoenergetické kulové mletí, s kulovým mlecím médiem Φ 6 a Φ 10 smíšené kuličky z tvrdé oceli, s atmosférou 99,99 % argonu pro mletí v kulovém mlýně, hmotnostním poměrem materiálu koule (8- 10): 1, doba kulového mletí 40-70 hodin a rychlost otáčení 350-500 ot/min.
3）.Používá se k výrobě materiálů ochrany před neutronovým zářením
① Princip ochrany před neutronovým zářením
Neutrony jsou součásti atomových jader se statickou hmotností 1,675 × 10-27 kg, což je 1838násobek hmotnosti elektronů. Jeho poloměr je přibližně 0,8 × 10-15 m, velikostně podobná protonu, podobně jako γ Paprsky jsou stejně nenabité. Když neutrony interagují s hmotou, interagují hlavně s jadernými silami uvnitř jádra a neinteragují s elektrony ve vnějším obalu.
S rychlým rozvojem jaderné energetiky a technologie jaderných reaktorů se stále více pozornosti věnuje jaderné radiační bezpečnosti a ochraně před jaderným zářením. Za účelem posílení radiační ochrany pro operátory, kteří se již dlouhou dobu zabývají údržbou radiačních zařízení a záchranou při nehodách, má velký vědecký význam a ekonomickou hodnotu vyvinout lehké stínící kompozity pro ochranné oděvy. Neutronové záření je nejdůležitější součástí záření jaderného reaktoru. Obecně platí, že většina neutronů v přímém kontaktu s lidmi byla zpomalena na nízkoenergetické neutrony po efektu neutronového stínění konstrukčních materiálů uvnitř jaderného reaktoru. Nízkoenergetické neutrony se budou elasticky srážet s jádry s nižším atomovým číslem a budou nadále moderovány. Moderované tepelné neutrony budou absorbovány prvky s větším průřezem absorpce neutronů a nakonec bude dosaženo neutronového stínění.
② Klíčová patentová studie
Porézní a organicko-anorganické hybridní vlastnostiprvek vzácných zemingadoliniummateriály organického skeletu na bázi kovu zvyšují jejich kompatibilitu s polyethylenem, čímž podporují syntetizované kompozitní materiály, aby měly vyšší obsah gadolinia a disperze gadolinia. Vysoký obsah a disperze gadolinia přímo ovlivní účinnost neutronového stínění kompozitních materiálů.
Klíčový patent: Hefei Institute of Material Science, Čínská akademie věd, patent na vynález kompozitního stínícího materiálu organické kostry na bázi gadolinia a způsob jeho přípravy
Abstrakt patentu: Kompozitní stínící materiál kovového organického skeletu na bázi gadolinia je kompozitní materiál vytvořený smíchánímgadoliniumkovový organický skeletový materiál s polyethylenem v hmotnostním poměru 2:1:10 a jeho formování odpařováním rozpouštědla nebo lisováním za tepla. Kompozitní stínící materiály kovového organického skeletu na bázi gadolinia mají vysokou tepelnou stabilitu a schopnost stínit tepelné neutrony.
Výrobní proces: výběr různýchkov gadoliniumsoli a organické ligandy k přípravě a syntéze různých typů kovových organických skeletových materiálů na bázi gadolinia, jejich promývání malými molekulami methanolu, ethanolu nebo vody odstředěním a jejich aktivací při vysoké teplotě ve vakuu, aby se zcela odstranily zbytkové nezreagované suroviny v pórech kovových organických skeletových materiálů na bázi gadolinia; Organokovový skeletový materiál na bázi gadolinia připravený v kroku se míchá s polyethylenovým lotionem při vysoké rychlosti nebo ultrazvukem, nebo se organokovový skeletový materiál na bázi gadolinia připravený v kroku v tavenině mísí s polyethylenem o ultravysoké molekulové hmotnosti při vysoké teplotě až do úplného promísení; Umístěte rovnoměrně promíchanou směs kovového organického skeletu na bázi gadolinia/polyethylenu do formy a získejte vytvořený kompozitní stínící materiál organického skeletu na bázi gadolinia sušením, aby se podpořilo odpařování rozpouštědla nebo lisování za tepla; Připravený kompozitní stínící materiál kovového organického skeletu na bázi gadolinia má výrazně zlepšenou tepelnou odolnost, mechanické vlastnosti a vynikající schopnost stínění tepelných neutronů ve srovnání s čistými polyethylenovými materiály.
Režim přidávání vzácných zemin: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 nebo Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porézní krystalický koordinační polymer obsahující gadolinium, které se získává koordinační polymeracíGd (N03)3 • 6H20 nebo GdCl3 • 6H20a organický karboxylátový ligand; Velikost kovového organického skeletového materiálu na bázi gadolinia je 50nm-2 μm； Kovové organické skeletové materiály na bázi gadolinia mají různé morfologie, včetně granulárních, tyčovitých nebo jehličkovitých tvarů.
(4) AplikaceScandiumv radiochemii a jaderném průmyslu
Skandiový kov má dobrou tepelnou stabilitu a silnou absorpci fluoru, což z něj činí nepostradatelný materiál v průmyslu atomové energie.
Klíčový patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patent vynálezu na slitinu hliníku a zinku a hořčíku skandiem a způsob její přípravy
Abstrakt patentu: Hliník zinekslitina hořčíku a skandiaa způsob jeho přípravy. Chemické složení a hmotnostní procento skandiové slitiny hliník zinek a hořčík jsou: Mg 1,0 % -2,4 %, Zn 3,5 % -5,5 %, Sc 0,04 % -0,50 %, Zr 0,04 % -0,35 %, nečistoty Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, ostatní nečistoty jednotlivé ≤ 0,05 %, ostatní nečistoty celkem ≤ 0,15 %, a zbývající množství je Al. Mikrostruktura tohoto materiálu ze slitiny hliníku a zinku a hořčíku skandiem je jednotná a její výkon je stabilní, s konečnou pevností v tahu přes 400 MPa, mezí kluzu nad 350 MPa a pevností v tahu nad 370 MPa pro svarové spoje. Materiálové produkty lze použít jako konstrukční prvky v letectví, jaderném průmyslu, dopravě, sportovním zboží, zbraních a dalších oborech.
Výrobní proces: Krok 1, přísada podle výše uvedeného složení slitiny; Krok 2: Tavení v tavicí peci při teplotě 700 ℃ ~ 780 ℃; Krok 3: Zjemněte zcela roztavenou kovovou kapalinu a během rafinace udržujte teplotu kovu v rozmezí 700 ℃ ~ 750 ℃; Krok 4: Po rafinaci by měl být zcela ponechán v klidu; Krok 5: Po úplném stání začněte odlévat, udržujte teplotu pece v rozmezí 690 ℃ ~ 730 ℃ a rychlost lití je 15-200 mm/minutu; Krok 6: Proveďte homogenizační žíhání na slitinovém ingotu v ohřívací peci s teplotou homogenizace 400 ℃ ~ 470 ℃; Krok 7: Odloupněte homogenizovaný ingot a proveďte vytlačování za tepla, abyste vytvořili profily s tloušťkou stěny větší než 2,0 mm. Během procesu vytlačování by měl být předvalek udržován při teplotě 350 ℃ až 410 ℃; Krok 8: Stiskněte profil pro ošetření kalením v roztoku s teplotou roztoku 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 hodinách zhášení tuhého roztoku ručně vynucení stárnutí. Systém manuálního silového stárnutí je: 90~110 ℃/24 hodin+170~180 ℃/5 hodin nebo 90~110 ℃/24 hodin+145~155 ℃/10 hodin.
5、 Shrnutí výzkumu
Celkově jsou vzácné zeminy široce používány při jaderné fúzi a jaderném štěpení a mají mnoho patentových uspořádání v takových technických směrech, jako je excitace rentgenového záření, tvorba plazmatu, lehkovodní reaktor, transuran, uranyl a oxidový prášek. Pokud jde o materiály reaktorů, vzácné zeminy lze použít jako konstrukční materiály reaktoru a související keramické izolační materiály, kontrolní materiály a materiály na ochranu proti neutronovému záření.
Čas odeslání: 26. května 2023