1. Definice jaderných materiálů
V širším smyslu je jaderný materiál obecný termín pro materiály používané výhradně v jaderném průmyslu a jaderném vědeckém výzkumu, včetně materiálů pro jaderné palivo a jaderné inženýrství, tj. nejaderných palivových materiálů.
Běžně označované jaderné materiály se vztahují především na materiály používané v různých částech reaktoru, známé také jako reaktorové materiály. Mezi reaktorové materiály patří jaderné palivo, které podléhá jadernému štěpení za neutronového bombardování, obalové materiály pro komponenty jaderného paliva, chladicí kapaliny, moderátory neutronů, materiály řídicích tyčí, které silně absorbují neutrony, a reflexní materiály, které zabraňují úniku neutronů mimo reaktor.
2. Souvislost mezi zdroji vzácných zemin a jadernými zdroji
Monazit, nazývaný také fosfocerit a fosfocerit, je běžný akcesorický minerál ve středně kyselých vyvřelých horninách a metamorfovaných horninách. Monazit je jedním z hlavních minerálů rud kovů vzácných zemin a vyskytuje se také v některých sedimentárních horninách. Je hnědočervený, žlutý, někdy hnědožlutý, s mastným leskem, úplnou štěpností, tvrdostí dle Mohse 5-5,5 a měrnou hmotností 4,9-5,5.
Hlavním rudným minerálem některých ložisek vzácných zemin typu rýžoviště v Číně je monazit, který se nachází především v okresech Tongcheng, Chu-pej, Jüe-jang, Chu-nan, Šang-žao, Ťiang-si, Menghaj, Jün-nan a okres Che v provincii Kuang-si. Těžba zdrojů vzácných zemin typu rýžoviště však často nemá ekonomický význam. Osamělé kameny často obsahují reflexní prvky thoria a jsou také hlavním zdrojem komerčního plutonia.
3. Přehled využití vzácných zemin v jaderné fúzi a štěpení jader na základě panoramatické analýzy patentu
Po úplném rozbalení klíčových slov pro vyhledávání prvků vzácných zemin se tato klíčová slova zkombinují s expanzními klíči a klasifikačními čísly jaderného štěpení a jaderné fúze a vyhledá se v databázi Incopt. Datum vyhledávání je 24. srpna 2020. Po jednoduchém sloučení rodin patentů bylo získáno 4837 patentů a po umělém snížení šumu bylo určeno 4673 patentů.
Patentové přihlášky na vzácné zeminy v oblasti jaderného štěpení nebo jaderné fúze jsou podány v 56 zemích/regionech, zejména v Japonsku, Číně, Spojených státech, Německu a Rusku atd. Značný počet patentů je podán formou PCT, přičemž počet čínských patentových technologických přihlášek roste, zejména od roku 2009, kdy vstupuje do fáze rychlého růstu, a Japonsko, Spojené státy a Rusko v této oblasti pokračují již mnoho let (obrázek 1).
Obrázek 1 Trend v podávání žádostí o technologické patenty související s aplikací vzácných zemin v jaderném štěpení a jaderné fúzi v zemích/regionech
Z analýzy technických témat je patrné, že aplikace vzácných zemin v jaderné fúzi a štěpení se zaměřuje na palivové články, scintilátory, detektory záření, aktinidy, plazma, jaderné reaktory, stínicí materiály, absorpci neutronů a další technické směry.
4. Specifické aplikace a klíčový patentový výzkum prvků vzácných zemin v jaderných materiálech
Mezi nimi jsou reakce jaderné fúze a štěpení jader v jaderných materiálech intenzivní a požadavky na materiály jsou přísné. V současné době jsou energetické reaktory převážně reaktory jaderného štěpení a fúzní reaktory by mohly být ve velkém měřítku popularizovány po 50 letech. Aplikacevzácné zeminyprvky v konstrukčních materiálech reaktorů; Ve specifických oblastech jaderné chemie se prvky vzácných zemin používají hlavně v regulačních tyčích; kromě tohoskandiumpoužívá se také v radiochemii a jaderném průmyslu.
(1) Jako hořlavý jed nebo regulační tyč k nastavení úrovně neutronů a kritického stavu jaderného reaktoru
V energetických reaktorech je počáteční zbytková reaktivita nových aktivních zón obecně relativně vysoká. Zejména v raných fázích prvního cyklu výměny paliva, kdy je veškeré jaderné palivo v aktivní zóně nové, je zbytková reaktivita nejvyšší. V tomto bodě by spoléhání se pouze na zvýšení počtu regulačních tyčí ke kompenzaci zbytkové reaktivity vedlo k zavedení více regulačních tyčí. Každá regulační tyč (nebo svazek tyčí) odpovídá zavedení složitého pohonného mechanismu. Na jedné straně to zvyšuje náklady a na druhé straně může otevírání otvorů ve víku tlakové nádoby vést ke snížení konstrukční pevnosti. Nejenže je to neekonomické, ale také není povoleno mít na víku tlakové nádoby určitou míru pórovitosti a konstrukční pevnosti. Bez zvýšení počtu regulačních tyčí je však nutné zvýšit koncentraci chemických kompenzačních toxinů (jako je kyselina boritá), aby se kompenzovala zbytková 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 regulaci obecně použít kombinaci hořlavých toxinů, regulačních tyčí a chemické kompenzační regulace.
(2) Jako příměs pro zvýšení výkonu konstrukčních materiálů reaktorů
Reaktory vyžadují, aby konstrukční komponenty a palivové články měly určitou úroveň pevnosti, odolnosti proti korozi a vysoké tepelné stability a zároveň zabránily vniknutí štěpných produktů do chladiva.
1) .Ocel vzácných zemin
Jaderný reaktor má extrémní fyzikální a chemické podmínky a každá jeho součást má také vysoké požadavky na použitou speciální ocel. Prvky vzácných zemin mají na ocel specifické modifikační účinky, včetně čištění, metamorfózy, mikrolegování a zlepšení odolnosti proti korozi. Oceli obsahující prvky vzácných zemin se také široce používají v jaderných reaktorech.
① Čisticí účinek: Stávající výzkum ukázal, že vzácné zeminy mají dobrý čisticí účinek na roztavenou ocel za vysokých teplot. 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 před kondenzací roztavené oceli vysrážet a uvolňovat ve formě inkluzí, čímž se snižuje obsah nečistot v roztavené oceli.
② Metamorfóza: na druhou stranu oxidy, sulfidy nebo oxysulfidy vznikající reakcí kovů 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 inkluze mohou být použity jako heterogenní nukleační centra během tuhnutí roztavené oceli, čímž se zlepšuje tvar a struktura oceli.
③ Mikrolegování: pokud se přídavek vzácných zemin dále zvýší, zbývající vzácné zeminy se po výše uvedeném čištění a metamorfóze rozpustí v oceli. Vzhledem k tomu, že atomový poloměr vzácných zemin je větší než atom železa, mají vzácné zeminy vyšší povrchovou aktivitu. Během procesu tuhnutí roztavené oceli se prvky vzácných zemin obohacují na hranicích zrn, což může lépe snížit segregaci nečistot na hranicích zrn, čímž se zpevní pevný roztok a hraje roli mikrolegování. Na druhou stranu, díky vlastnostem vzácných zemin pro ukládání vodíku, mohou tyto látky absorbovat vodík v oceli, čímž účinně zlepšují jev vodíkového křehnutí 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 samokoroze než nerezová ocel. Přidání vzácných zemin proto může zvýšit potenciál samokoroze nerezové oceli, a tím zlepšit stabilitu oceli v korozivním prostředí.
2). Klíčová patentová studie
Klíčový patent: patent na vynález nízkoaktivační oceli zpevněné disperzí oxidů a metody její přípravy od Ústavu kovů Čínské akademie věd
Abstrakt patentu: Je popsána nízkoaktivační ocel zpevněná disperzí oxidů 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 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.
Výrobní proces: tavení matečné slitiny Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizace prášku, vysokoenergetické kulové mletí matečné slitiny aNanočástice Y2O3směsný prášek, extrakce obalující prášek, tuhnutí vstřikováním, válcování za tepla a tepelné zpracování.
Metoda přidávání vzácných zemin: Přidání nanočásticY2O3částic do atomizovaného prášku základní slitiny pro vysokoenergetické kulové mletí, přičemž kulové mlecí médium jsou kuličky ze směsi tvrdé oceli Φ 6 a Φ 10, s mlecí atmosférou 99,99% argonu, hmotnostním poměrem materiálu kuličky (8-10): 1, dobou mletí kuličky 40-70 hodin a rychlostí otáčení 350-500 ot/min.
3). Používá se k výrobě materiálů na ochranu před neutronovým zářením
① Princip ochrany před neutronovým zářením
Neutrony jsou součástí atomových jader se statickou hmotností 1,675 × 10⁻²⁻²⁷ kg, což je 1838krát více než elektronová hmotnost. Jejich poloměr je přibližně 0,8 × 10⁻¹⁰ m, což je velikost podobná protonu a γ záření, které je 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 energie a technologie jaderných reaktorů se stále větší pozornost věnuje radiační bezpečnosti a ochraně před jaderným zářením. Pro posílení radiační ochrany operátorů, kteří se dlouhodobě zabývají údržbou radiačních zařízení a záchranou při nehodách, má velký vědecký a ekonomický význam vývoj lehkých stínících kompozitů pro ochranné oděvy. Neutronové záření je nejdůležitější součástí záření jaderných reaktorů. Obecně platí, že většina neutronů, které jsou v přímém kontaktu s lidmi, je po působení stínící funkce konstrukčních materiálů uvnitř jaderného reaktoru zpomalena na nízkoenergetické neutrony. Nízkoenergetické neutrony se elasticky srážejí s jádry s nižším atomovým číslem a nadále jsou moderovány. Moderované tepelné neutrony jsou absorbovány prvky s většími absorpčními průřezy neutronů, a nakonec je dosaženo stínění neutronů.
② Klíčová patentová studie
Porézní a organicko-anorganické hybridní vlastnostiprvek vzácných zemingadoliniumMateriály na bázi kovového organického skeletu zvyšují svou kompatibilitu s polyethylenem, což podporuje vyšší obsah a disperzi gadolinia v syntetizovaných kompozitních materiálech. Vysoký obsah a disperze gadolinia přímo ovlivňují neutronové stínění kompozitních materiálů.
Klíčový patent: Che-fejský institut materiálových věd, Čínská akademie věd, patent na vynález kompozitního stínicího materiálu na bázi organické struktury na bázi gadolinia a způsobu jeho přípravy
Abstrakt patentu: Kompozitní ochranný materiál na bázi kovové organické kostry na bázi gadolinia je kompozitní materiál vytvořený smíchánímgadoliniumKovový organický skeletový materiál na bázi polyethylenu v hmotnostním poměru 2:1:10 a jeho tvarování odpařováním rozpouštědla nebo lisováním za tepla. Kompozitní stínící materiály s kovovým organickým skeletem na bázi gadolinia mají vysokou tepelnou stabilitu a schopnost stínění tepelných neutronů.
Výrobní proces: výběr různýchkovové gadoliniumsoli a organické ligandy k přípravě a syntéze různých typů kovových organických skeletových materiálů na bázi gadolinia, jejich promytí malými molekulami methanolu, ethanolu nebo vody centrifugací a aktivace při vysoké teplotě za vakuových podmínek za účelem úplného odstranění zbytkových nezreagovaných surovin v pórech kovových organických skeletových materiálů na bázi gadolinia; Organokovový skeletový materiál na bázi gadolinia připravený v kroku se míchá s polyethylenovým lotionem vysokou rychlostí nebo ultrazvukem, nebo se organokovový skeletový materiál na bázi gadolinia připravený v kroku se taví s ultravysokomolekulárním polyethylenem za vysoké teploty, dokud se zcela nepromíchá; Rovnoměrně promíchaná směs kovového organického skeletového materiálu na bázi gadolinia a polyethylenu se umístí do formy a získaný kompozitní ochranný materiál na bázi kovového organického skeletu na bázi gadolinia se získá sušením pro podporu odpařování rozpouštědla nebo lisováním za horka; Připravený kompozitní ochranný materiál na bázi 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.
Způsob adice kovů vzácných zemin: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 nebo Gd (BDC)1,5(H2O)2, porézní krystalický koordinační polymer obsahující gadolinium, který se získává koordinační polymeracíGd (NO3)3 • 6H2O nebo GdCl3 • 6H2Oa organický karboxylátový ligand; Velikost kovového organického skeletu na bázi gadolinia je 50 nm-2 μm; kovové organické skeletu na bázi gadolinia má různou morfologii, včetně granulárního, tyčinkovitého nebo jehličkovitého tvaru.
(4) PoužitíSkandiumv radiochemii a jaderném průmyslu
Skandium má dobrou tepelnou stabilitu a silnou absorpci fluoru, což z něj činí nepostradatelný materiál v jaderném energetickém průmyslu.
Klíčový patent: Čínský institut pro letecký rozvoj v Pekingu, patent na vynález slitiny hliníku, zinku a hořčíku a metody její přípravy
Abstrakt patentu: Hliník-zinekslitina hořčíku a skandiaa způsob její přípravy. Chemické složení a hmotnostní procento slitiny hliníku, zinku a hořčíku a skandia je: 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 tvoří Al. Mikrostruktura tohoto materiálu ze slitiny hliníku, zinku a hořčíku a skandia je jednotná a jeho vlastnosti jsou stabilní, s mezí pevnosti v tahu přes 400 MPa, mezí kluzu přes 350 MPa a pevností v tahu přes 370 MPa pro svařované spoje. Materiálové produkty lze použít jako konstrukční prvky v leteckém a jaderném průmyslu, dopravě, sportovním zboží, zbraních a dalších oblastech.
Výrobní proces: Krok 1, složení slitiny dle výše uvedeného složení; Krok 2: Tavení v tavicí peci při teplotě 700 °C až 780 °C; Krok 3: Rafinace zcela roztaveného kovu a udržování teploty kovu v rozmezí 700 °C až 750 °C během rafinace; Krok 4: Po rafinaci by měl být kov zcela ustát; Krok 5: Po úplném ustání zahájit odlévání, udržovat teplotu pece v rozmezí 690 °C až 730 °C a rychlost odlévání 15–200 mm/min; Krok 6: Provést homogenizační žíhání ingotu slitiny v topné peci při homogenizační teplotě 400 °C až 470 °C; Krok 7: Oloupat homogenizovaný ingot a provést horkou extruzi za účelem výroby profilů s tloušťkou stěny větší než 2,0 mm. Během procesu extruze by měl být polotovar udržován na teplotě 350 °C až 410 °C; Krok 8: Stlačení profilu pro kalení v roztoku s teplotou roztoku 460–480 °C; Krok 9: Po 72 hodinách kalení v pevném roztoku proveďte ruční nucené stárnutí. Systém ručního nuceného stárnutí je: 90–110 °C/24 hodin + 170–180 °C/5 hodin nebo 90–110 °C/24 hodin + 145–155 °C/10 hodin.
5. Shrnutí výzkumu
Celkově se vzácné zeminy široce používají v jaderné fúzi a štěpení jader a existuje mnoho patentových přihlášek v technických oblastech, jako je excitace rentgenového záření, tvorba plazmatu, lehkovodní reaktor, transuran, uranyl a oxidový prášek. Pokud jde o reaktorové materiály, vzácné zeminy lze použít jako konstrukční materiály reaktorů a související keramické izolační materiály, kontrolní materiály a materiály na ochranu před neutronovým zářením.
Čas zveřejnění: 26. května 2023