1 、 Definice jaderných materiálů
V širokém smyslu je jaderný materiál obecným termínem pro materiály používané výhradně v jaderném průmyslu a jaderném vědeckém výzkumu, včetně jaderných paliv a jaderného inženýrství, tj. Nelezných materiálů pro jaderné paliva.
Běžně odkazované na jaderné materiály se vztahují hlavně na materiály používané v různých částech reaktoru, také známého jako reaktorové materiály. Materiály reaktoru zahrnují jaderné palivo, které podléhá jadernému štěpení pod bombardováním neutronů, obkladové materiály pro komponenty jaderného paliva, chladicí prostředky, moderátory neutronů (moderátoři), materiály ovládacích tyčí, které silně absorbují neutrony, a reflexní materiály, které zabraňují úniku neutronu mimo reaktor.
2 、 Spojený vztah mezi zdroji vzácných zemin a jadernými zdroji
Monazit, také nazývaný fosfoceriit a fosfoceriit, je běžným minerálem doplňku ve střední kyselině Igneous Rock a Metamorfhic Rock. Monazit je jedním z hlavních minerálů kovové rudy vzácné zeminy a také existuje v nějaké sedimentární hornině. Hnědově červená, žlutá, někdy nahnědlá žlutá, s mastným leskem, úplným štěpením, mohsovou tvrdostí 5-5,5 a specifickou hmotností 4,9-5,5.
Hlavní minerál rudy některých ložisek vzácných zemin typu v Číně je Monazite, hlavně v Tongchengu, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan a County, Guangxi. Extrakce zdrojů vzácných zemin typu placer však často nemá ekonomický význam. Solitární kameny často obsahují reflexivní prvky thoria a jsou také hlavním zdrojem komerčního plutonia.
3 、 Přehled aplikace vzácných zemin v jaderné fúzi a jaderném štěpení na základě patentové patentové analýzy
Poté, co jsou klíčová slova vyhledávacích prvků vzácných zemin plně rozšířena, jsou kombinována s expanzními klíči a klasifikačními čísly jaderného štěpení a jaderné fúze a prohledány v databázi INCOPT. Datum vyhledávání je 24. srpna 2020. 4837 Patenty byly získány po jednoduché fúzi rodiny a 4673 patentů bylo stanoveno po snížení umělého šumu.
Patentové žádosti o vzácnou zeminu v oblasti jaderného štěpení nebo jaderné fúze jsou distribuovány v 56 zemích/regionech, které se soustředí hlavně v Japonsku, Číně, Spojených státech, Německu a Rusku atd. Značný počet patentů se v podobě PCT nadále po mnoho let uplatňuje v podobě PCT a na tomto po poli se nadále rostou, což je v průběhu roku 2009.
Obrázek 1 Trend aplikací technologických patentů souvisejících s aplikací vzácných zemin v jaderném jaderném štěpení a jaderné fúzi v zemích/regionech
Z analýzy technických témat je patrné, že aplikace vzácných zemin v jaderné fúzi a jaderné štěpení se zaměřuje na palivové prvky, scintilátory, detektory záření, aktinidy, plazmy, 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 jaderné fúze a jaderné štěpné reakce v jaderných materiálech intenzivní a požadavky na materiály jsou přísné. V současné době jsou energetické reaktory hlavně reaktory jaderného štěpení a fúzní reaktory mohou být popularizovány ve velkém měřítku po 50 letech. Aplikacevzácná Zeměprvky ve strukturálních materiálech reaktoru; Ve specifických jaderných chemických polích se prvky vzácných zemin používají hlavně u kontrolních tyčí; Kromě tohoSkandiumbyl také používán v radiochemii a jaderném průmyslu.
（1） jako hořlavý jed nebo ovládací tyč pro upravení úrovně neutronů a kritického stavu jaderného reaktoru
U energetických reaktorů je počáteční zbytková reaktivita nových jader obecně relativně vysoká. Zejména v raných stádiích prvního cyklu doplňování doplňování, kdy je veškeré jaderné palivo v jádru nové, je zbývající reaktivita nejvyšší. V tomto bodě by se spoléhání pouze na zvyšování kontrolních tyčí pro kompenzaci zbytkové reaktivity zavedly více kontrolních tyčí. Každý ovládací tyč (nebo svazek tyče) odpovídá zavedení komplexního mechanismu jízdy. Na jedné straně to zvyšuje náklady a na druhé straně může otevření otvorů v hlavě tlakové nádoby vést ke snížení strukturální pevnosti. Nejen, že je neekonomická, ale také není dovoleno mít určité množství porozity a strukturální pevnosti na hlavě tlakové nádoby. Avšak bez zvýšení kontrolních tyčí je nutné zvýšit koncentraci toxinů chemických kompenzujících toxiny (jako je kyselina borová), aby se kompenzovala zbývající reaktivitu. V tomto případě je snadné pro koncentraci boru překročit prahovou hodnotu a teplotní koeficient moderátoru se stane pozitivním.
Aby se zabránilo výše uvedeným problémům, lze pro kontrolu obecně použít kombinaci hořlavých toxinů, kontrolních tyčí a kontroly chemické kompenzace.
（2） jako dopant pro zvýšení výkonu strukturálních materiálů reaktoru
Reaktory vyžadují, aby strukturální komponenty a palivové prvky měly určitou úroveň pevnosti, odolnosti proti korozi a vysokou tepelnou stabilitu a zároveň zabraňují vstupu štěpných produktů do chladicí kapaliny.
1) .Rare Earth Steel
Jaderný reaktor má extrémní fyzikální a chemické podmínky a každá složka reaktoru má také vysoké požadavky na použitý speciální ocel. Prvky vzácných zemin mají zvláštní účinky modifikace na ocel, zejména včetně čištění, metamorfismu, mikroaletoru a zlepšení odolnosti proti korozi. V jaderných reaktorech se také široce používají vzácné Země obsahující oceli.
① Čisticí účinek: Stávající výzkum ukázal, že vzácné zeminy mají dobrý čisticí účinek na roztavenou ocel při vysokých teplotách. Je to proto, že vzácné zeminy mohou reagovat s škodlivými prvky, jako je kyslík a síra v roztavené oceli, aby se vytvořily vysokoteplotní sloučeniny. Sloučeniny s vysokou teplotou mohou být vysráženy a vypouštěny ve formě inkluzí před kondenzací roztavené oceli, čímž se sníží obsah nečistot v roztavené oceli.
② Metamorfismus: Na druhé straně mohou být oxidy, sulfidy nebo oxysulfidy generované reakcí vzácné země v roztavené oceli s škodlivými prvky, jako je kyslík a síra, částečně zadrženy v roztavené oceli a stávají se inkluzemi oceli s vysokým bodem tání. Tyto inkluze mohou být použity jako heterogenní nukleační centra během ztuhnutí roztavené oceli, čímž se zlepšuje tvar a strukturu oceli.
③ Mikroaloying: Pokud se přidání vzácné země dále zvyšuje, zbývající vzácná země bude po dokončení výše uvedeného čištění a metamorfismus rozpuštěna zbývající vzácná země. Protože atomový poloměr vzácné zeminy je větší než poloměr atomu železa, má vzácná země vyšší povrchovou aktivitu. Během procesu tuhnutí roztavené oceli jsou prvky vzácných zemin obohaceny na hranici zrn, což může lépe snížit segregaci prvků nečistot na hranici zrn, čímž se posiluje pevný roztok a hraje roli mikroahování. Na druhé straně, vzhledem k charakteristikám skladování vodíku vzácných zemí, mohou absorbovat vodík v oceli, čímž účinně zlepšují fenomén oceli vodíku.
④ Zlepšení odolnosti proti korozi: Přidání prvků vzácných zemin může také zlepšit odolnost proti korozi oceli. Je to proto, že vzácné zeminy mají vyšší vlastní korozivní potenciál než nerezová ocel. Proto přidání vzácných zemí může zvýšit potenciál sebekoroze nerezové oceli, čímž se zlepšuje stabilita oceli v korozivních médiích.
2). Klíčová patentová studie
Klíčový patent: Patent vynálezu disperze oxidu posílil nízkou aktivační ocel a jeho přípravná metoda ústavem kovů, Čínská akademie věd
Patentovaný abstrakt: Poskytovaného je disperze oxidu posílená nízko aktivační ocel vhodný pro fúzní reaktory a jeho metodu přípravy, charakterizované v tom, že procento prvků slitiny v celkové hmotnosti nízké aktivační oceli je: Matrix je Fe, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ 10,0%, 0,1%, 0,1%, 0,3%, 0,1%, 0,1%, 0,1%, 0,3%, 0,1%, 0,3%, 0,1%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,3%, 0,1%, 0,3%, 0,1%, 0,1%, ≤ v 0,03%, ≤ v 0,03%, 0,03%, 0,03%, 0,03%, 0,08% ≤ 0,15%, 0,08%, 0,08%, 0,08%, 0,08%, 0,08%, 0,08%, 0,08. ≤ ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%a 0,05%≤ y2o3 ≤ 0,5%.
Výrobní proces: Fe-Cr-WV-TA-MN Matka tavení slitiny, atomizace prášku, vysokoenergetické kuličkové frézování mateřské slitiny aNanočástice Y2O3Smíšený prášek, práškový obálka, extrakce, formování tuhnutí, válcování horkých tep a tepelné zpracování.
Metoda přidání vzácných zemin: Přidejte nanočásticeY2O3Částice k rodičovskému atomizovanému prášku pro atomizovaný prášek pro vysoce energetické kuličkové frézování, přičemž kuličkové médium je φ 6 a φ 10 smíchaných tvrdých ocelových kuliček, s atmosférou kuličky 99,99% argonového plynu, poměr hmotnosti kuličky (8-10): 1, doba mletí kuličky 40-70 hodin a rotační rychlost 350-10 R/mín.
3）.
① Princip ochrany proti neutronovému záření
Neutrony jsou součástí atomových jádra, se statickou hmotností 1,675 × 10-27 kg, což je 1838 krát elektronickou hmotnost. Jeho poloměr je přibližně 0,8 x 10-15 m, podobný velikosti jako proton, podobný γ paprskům, jsou stejně nabité. Když neutrony interagují s hmotou, interagují hlavně s jadernými silami uvnitř jádra a neinteragují s elektrony ve vnější skořápce.
S rychlým rozvojem technologie jaderné energie a jaderného reaktoru bylo věnováno stále více pozornosti bezpečnosti jaderného záření a ochraně jaderného záření. Za účelem posílení ochrany záření pro operátory, kteří se po dlouhou dobu zabývají údržbou záření a záchrany nehod, má velký vědecký význam a ekonomickou hodnotu pro vývoj lehkých bojových kompozitů pro ochranné oděvy. Neutronové záření je nejdůležitější součástí záření jaderného reaktoru. Obecně byla většina neutronů v přímém kontaktu s lidskými bytostmi zpomalena na nízkoenergetické neutrony po neutronovém stínění strukturálních materiálů uvnitř jaderného reaktoru. N Moderované tepelné neutrony budou absorbovány prvky s většími průřezy absorpce neutronů a nakonec bude dosaženo stínění neutronů.
② Klíčová patentová studie
Porézní a organicko-inorganické hybridní vlastnostiprvek vzácné zeminyGadoliniumKovové organické kosterní materiály založené na založené na bázi zvyšují jejich kompatibilitu s polyethylenem, což podporuje syntetizované kompozitní materiály tak, aby měly vyšší obsah gadolinia a disperzi gadolinia. Vysoký obsah a disperze gadolinia přímo ovlivní výkon neutronového stínění kompozitních materiálů.
Klíčový patent: Hefei Institute of Material Science, Čínská akademie věd, Patent vynálezu organického rámce na bázi gadolinia Composite Shielding Material a jeho metoda přípravy
Patent Abstrakt: Kovový organický stínící materiál na bázi gadolinia je kompozitní materiál vytvořený smíchánímGadoliniumNa bázi kovového organického kosterního materiálu s polyethylenem v poměru hmotnosti 2: 1: 10 a jeho vytvoření pomocí odpařování rozpouštědla nebo lisováním horkého. Kovové organické kosterní kompozitní stínící materiály na bázi gadolinia mají vysokou tepelnou stabilitu a schopnost tepelného neutronu.
Výrobní proces: Výběr různýchGadolinium kovSoli a organické ligandy pro přípravu a syntetizující různé typy kovových organických kostenových materiálů na bázi gadolinia, promytí malými molekulami methanolu, ethanolu nebo vody centrifugací a jejich aktivace při vysoké teplotě za vakuových podmínek, aby plně odstranily zbytky nereaktivní suroviny; Organokovovolný kostenový materiál na bázi gadolinia připraveného v kroku je míchán polyethylenovým mlékem při vysoké rychlosti nebo ultrazvukem, nebo se na bázi organokovových kostenových materiálů na bázi gadolinia připravený v kroku směsí s ultra vysokou molekulovou polyethylenem při vysoké teplotě; Umístěte rovnoměrně smíšený kovový organický kosterní materiál na bázi gadolinia/polyethylenovou směs do formy a získejte vytvořený kovový organický kostenový souklad na bázi gadolinia sušením pro podporu odpařování rozpouštědla nebo stisknutí horkého; Připravený kovový organický kosterní kompozitní materiál na bázi gadolinia má významně zlepšenou odolnost proti teplu, mechanické vlastnosti a vynikající schopnost stínění tepelného neutronu ve srovnání s čistými polyethylenovými materiály.
Režim přidání vzácné zeminy: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 nebo GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 porézní krystalická koordinační polymer obsahující gadolinium, který je získán koordinační polymerizacíGD (NO3) 3 • 6H2O nebo GDCL3 • 6H2Oa organický karboxylátový ligand; Velikost kovového kostelového materiálu na bázi gadolinia je kovové kosterní materiály na bázi gadolinia na bázi gadolinia na bázi gadolinia, které mají různé morfologie, včetně granulovaných, tyčkových tvarů nebo jehlu.
（4） AplikaceSkandiumv radiochemii a jaderném průmyslu
Skandiální kov má dobrou tepelnou stabilitu a silnou absorpci fluoru, což z něj činí nepostradatelný materiál v atomové energii.
Klíčový patent: Čínský vývoj leteckého a leteckého ústavu leteckých materiálů, patent na vynález na hliníkový zinkový magnesium skandium slitiny a metoda přípravy
Patent Abstrakt: Zinek z hliníkuslitina hořčíku skandiuma jeho metoda přípravy. Procento chemického složení a hmotnosti slitiny skandiálního zinku z hliníku zinku 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%, ostatní ≤ 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, 0,05%, jejich 0,15%a zbývající částka je al. Mikrostruktura tohoto materiálu z hliníkové zinkové magnezium je jednotná a jeho výkon je stabilní, s konečnou pevností v tahu více než 400 mPa, výnosovou pevností více než 350 mPa a pevnost v tahu více než 370 MPA pro svařované klouby. Materiální produkty lze použít jako strukturální prvky v leteckém, jaderném průmyslu, přepravě, sportovním zboží, zbraních a dalších oborech.
Výrobní proces: Krok 1, složka podle výše uvedeného složení slitiny; Krok 2: Roztavte se v tavivé peci při teplotě 700 ~ 780 ℃; Krok 3: Zdokonaňte zcela roztavenou kovovou kapalinu a během rafinace udržujte teplotu kovu v rozmezí 700 ~ 750 ℃; Krok 4: Po rafinaci by mělo být plně dovoleno stát v klidu; Krok 5: Po úplném postavení začněte lití, udržujte teplotu pece v rozmezí 690 ~ 730 ℃ a rychlost lití je 15-200 mm/minuta; Krok 6: Proveďte léčbu homogenizace žíhání na ingot slitiny v topné peci s homogenizační teplotou 400 ~ 470 ℃; Krok 7: Oloupejte homogenizovaný ingot a proveďte horké vytlačování, abyste vytvořili profily s tloušťkou stěny přes 2,0 mm. Během procesu vytlačování by měl být sochl udržován při teplotě 350 ℃ až 410 ℃; Krok 8: Stiskněte profil pro ošetření roztoku s teplotou roztoku 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 hodinách zhášení pevného roztoku ručně vynucuje stárnutí. Systém stárnutí manuální síly je: 90 ~ 110 ℃/24 hodin+170 ~ 180 ℃/5 hodin, nebo 90 ~ 110 ℃/24 hodin+145 ~ 155 ℃/10 hodin.
5 、 Shrnutí výzkumu
Celkově se v jaderné fúzi a jaderném štěpení široce používají vzácné zeminy a mají mnoho patentových rozvržení v takových technických směrech, jako je excitace rentgenového záření, tvorba plazmy, lehký vodový reaktor, transuranium, uranyl a oxidový prášek. Pokud jde o materiály reaktoru, lze vzácné zeminy použít jako strukturální materiály reaktoru a související keramické izolační materiály, kontrolní materiály a materiály pro ochranu proti neutronovému záření.
Čas příspěvku: 26-2023