Aplicació d’elements de terres rares en materials nuclears

1 、 Definició de materials nuclears

En un sentit ampli, el material nuclear és el terme general per a materials utilitzats exclusivament en la indústria nuclear i la investigació científica nuclear, incloent combustible nuclear i materials d’enginyeria nuclear, és a dir, materials de combustible no nuclears.

Els materials nuclears es refereixen principalment a materials utilitzats en diverses parts del reactor, també conegudes com a materials del reactor. Els materials del reactor inclouen combustible nuclear que pateix fissió nuclear sota bombardeig de neutrons, materials de revestiment per a components de combustible nuclear, refrigerants, moderadors de neutrons (moderadors), materials de barra de control que absorbeixen fortament neutrons i materials reflectants que eviten fuites de neutrons fora del reactor.

2 、 La relació associada entre recursos de terra rara i recursos nuclears

La monazita, també anomenada fosfocerita i fosfocerita, és un mineral accessori comú en la roca ígnia ígnia d’àcid intermedi i la roca metamòrfica. La Monazita és un dels principals minerals del mineral de metall de terra rara i també existeix en alguna roca sedimentària. Vermell marró, groc, de vegades groc marronós, amb una brillantor greixosa, escletxa completa, duresa de Mohs de 5-5,5 i gravetat específica de 4,9-5,5.

El principal mineral de minerals d'alguns dipòsits de terra rara de tipus plaer a la Xina és Monazita, principalment situat a Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, i el comtat de HE, Guangxi. Tanmateix, l'extracció de recursos de terres rares de tipus plaer sovint no té importància econòmica. Les pedres solitàries sovint contenen elements de tori reflexius i també són la principal font de plutoni comercial.

3 、 Visió general de l’aplicació de la Terra Rara en fusió nuclear i fissió nuclear basada en l’anàlisi panoràmica de la patent

Després que les paraules clau dels elements de cerca de terres rares s’ampliïn completament, es combinen amb les claus d’expansió i els números de classificació de fissió nuclear i fusió nuclear i es busquen a la base de dades INCOPT. La data de cerca és el 24 d’agost de 2020. Es van obtenir 4837 patents després de la fusió familiar simple i es van determinar 4673 patents després de la reducció del soroll artificial.

Les sol·licituds de patents de terres rares en el camp de la fissió nuclear o la fusió nuclear es distribueixen a 56 països/regions, principalment concentrades al Japó, la Xina, els Estats Units, Alemanya i Rússia, etc. Un nombre considerable de patents s’apliquen en forma de PCT, de les quals les sol·licituds de tecnologia de patents xineses han augmentat, sobretot des del 2009 1).

Figura 1 Tendència d'aplicació de les patents tecnològiques relacionades amb l'aplicació de terres rares en fissió nuclear nuclear i fusió nuclear als països/regions

A partir de l’anàlisi de temes tècnics es pot veure que l’aplicació de la terra rara en la fusió nuclear i la fissió nuclear se centra en elements de combustible, escintiladors, detectors de radiació, actínids, plasmes, reactors nuclears, materials blindatge, absorció de neutrons i altres direccions tècniques.

4 、 Aplicacions específiques i investigació de patents clau d’elements de terres rares en materials nuclears

Entre ells, les reaccions de fusió nuclear i fissió nuclear en materials nuclears són intensos i els requisits per als materials són estrictes. Actualment, els reactors d’energia són principalment reactors de fissió nuclear i els reactors de fusió es poden popularitzar a gran escala després de 50 anys. L'aplicació deterra raraelements en materials estructurals del reactor; En els camps químics nuclears específics, els elements de la Terra Rare s’utilitzen principalment en les barres de control; A més,escandiTambé s'ha utilitzat en la radiòquímica i la indústria nuclear.

（1） com a verí combustible o barra de control per ajustar el nivell de neutrons i l'estat crític del reactor nuclear

En els reactors de potència, la reactivitat residual inicial dels nous nuclis és generalment relativament alta. Sobretot en les primeres etapes del primer cicle de subministrament, quan tot el combustible nuclear del nucli és nou, la reactivitat restant és la més alta. Arribats a aquest punt, confiar exclusivament en augmentar les barres de control per compensar la reactivitat residual introduiria més barres de control. Cada vareta de control (o paquet de varetes) correspon a la introducció d’un mecanisme de conducció complex. D’una banda, això augmenta els costos i, d’altra banda, l’obertura de forats al cap del vas de pressió pot provocar una disminució de la força estructural. No només és poc econòmic, sinó que tampoc es permet tenir una certa porositat i força estructural al cap del vas de pressió. Tanmateix, sense augmentar les barres de control, cal augmentar la concentració de toxines compensadores químiques (com l’àcid bòric) per compensar la reactivitat restant. En aquest cas, és fàcil que la concentració de bor superi el llindar i el coeficient de temperatura del moderador serà positiu.

Per evitar els problemes esmentats, es pot utilitzar generalment una combinació de toxines combustibles, barres de control i control de compensació química.

（2） Com a dopant per millorar el rendiment dels materials estructurals del reactor

Els reactors requereixen components estructurals i elements de combustible per tenir un cert nivell de força, resistència a la corrosió i alta estabilitat tèrmica, alhora que impedeixen que els productes de fissió entrin al refrigerant.

1). Reare Earth Steel

El reactor nuclear té condicions físiques i químiques extremes, i cada component del reactor també té requisits elevats per a l’acer especial utilitzat. Els elements de terra rara tenen efectes especials de modificació sobre l’acer, inclosos principalment la purificació, el metamorfisme, la microalimentació i la millora de la resistència a la corrosió. Els acers que contenen terres rares també s’utilitzen àmpliament en els reactors nuclears.

① Efecte de purificació: la investigació existent ha demostrat que les terres rares tenen un bon efecte de purificació sobre l’acer fos a temperatures altes. Això es deu al fet que les terres rares poden reaccionar amb elements nocius com l’oxigen i el sofre a l’acer fos per generar compostos d’alta temperatura. Els compostos a alta temperatura es poden precipitar i descarregar en forma d’inclusions abans que els condenses d’acer fos, reduint així el contingut de la impuresa de l’acer fos.

② Metamorfisme: D'altra banda, els òxids, sulfurs o oxisulfurs generats per la reacció de la terra rara a l'acer fos amb elements nocius com l'oxigen i el sofre es poden conservar parcialment en l'acer fos i convertir -se en inclusions d'acer amb un punt de fusió elevat. Aquestes inclusions es poden utilitzar com a centres de nucleació heterogenis durant la solidificació de l'acer fos, millorant així la forma i l'estructura de l'acer.

③ Microalloying: Si augmenta encara més l’addició de la terra rara, la terra rara restant es dissoldrà a l’acer un cop finalitzada la purificació anterior i el metamorfisme. Com que el radi atòmic de la terra rara és més gran que la de l’àtom de ferro, la terra rara té una activitat superficial més elevada. Durant el procés de solidificació de l’acer fos, els elements de la terra rara s’enriqueixen al límit del gra, cosa que pot reduir millor la segregació d’elements de la impuresa al límit del gra, reforçant així la solució sòlida i jugant el paper de la microalimentació. D'altra banda, a causa de les característiques d'emmagatzematge d'hidrogen de les terres rares, poden absorbir l'hidrogen en l'acer, millorant efectivament el fenomen d'acer de l'acer.

④ Millorar la resistència a la corrosió: L’addició d’elements de la Terra Rara també pot millorar la resistència a la corrosió de l’acer. Això es deu al fet que les terres rares tenen un potencial de corrosió més elevat que l’acer inoxidable. Per tant, l’addició de terres rares pot augmentar el potencial de corrosió d’auto -corrosió de l’acer inoxidable, millorant així l’estabilitat de l’acer en medis corrosius.

2). Estudi de patents clau

Patent clau: Patent d’invenció d’una dispersió d’òxids va reforçar l’acer de baixa activació i el seu mètode de preparació per l’Institut de Metals, Acadèmia de Ciències xineses

Resum de la patent: es proporciona una dispersió de l’òxid reforçada d’acer baix d’activació adequada per als reactors de fusió i el seu mètode de preparació, caracteritzat perquè el percentatge d’elements d’aliatge en la massa total de l’acer d’activació baixa és: la matriu és Fe, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ 1,55%, 0,1% ≤ 0,03%≤ ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%i 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Procés de fabricació: FE-CR-WV-TA-MN MATERNanopartícula Y2O3pols mixt, extracció en pols en pols, modelat de solidificació, rodatge calent i tractament tèrmic.

Mètode d’addició de terres rares: afegiu nanoescalaY2o3Les partícules de la pols atomitzada aliatge de parent per a la fresat de boles d’alta energia, amb el medi de fresat de boles φ 6 i φ 10 boles d’acer dur mixt, amb una atmosfera de fresat de bola del 99,99% de gas d’argó, una proporció de massa de material de bola de (8-10): 1, un temps de fresat de bola de 40-70 hores i una velocitat rotativa de 350-500 r/min.

3）. Utilitzat per fer materials de protecció contra la radiació de neutrons

① Principi de protecció contra la radiació de neutrons

Els neutrons són components dels nuclis atòmics, amb una massa estàtica de 1,675 × 10-27kg, que és 1838 vegades la massa electrònica. El seu radi és d'aproximadament 0,8 × 10-15 m, de mida similar a un protó, similar als raigs γ són igualment poc carregats. Quan els neutrons interactuen amb la matèria, interaccionen principalment amb les forces nuclears dins del nucli i no interaccionen amb els electrons de la closca exterior.

Amb el ràpid desenvolupament de l’energia nuclear i la tecnologia del reactor nuclear, cada vegada s’ha prestat més atenció a la seguretat de la radiació nuclear i a la protecció de la radiació nuclear. Per tal de reforçar la protecció contra la radiació als operadors que s’han dedicat a mantenir els equips de radiació i al rescat d’accidents durant molt de temps, és de gran importància científica i valor econòmic per desenvolupar compostos de blindatge lleuger per a la roba de protecció. La radiació de neutrons és la part més important de la radiació del reactor nuclear. Generalment, la majoria dels neutrons en contacte directe amb els éssers humans s’han reduït a neutrons de baix consum després de l’efecte blindatge de neutrons dels materials estructurals dins del reactor nuclear. Els neutrons de baixa energia xocaran amb nuclis amb un nombre atòmic inferior de forma elàsticament i es continuaran moderant. Els neutrons tèrmics moderats seran absorbits per elements amb seccions creuades d’absorció de neutrons més grans i, finalment, s’aconseguirà blindatge de neutrons.

② Estudi de patents clau

Les propietats híbrides poroses i orgàniques-inorgàniques deElement de la Terra RaragadoliniumEls materials de l’esquelet orgànic de metall basats augmenten la seva compatibilitat amb el polietilè, promovent els materials compostos sintetitzats per tenir un contingut de gadolinium més elevat i dispersió de gadolinium. L’elevat contingut i dispersió de Gadolinium afectarà directament el rendiment de blindatge de neutrons dels materials compostos.

Patent clau: Institut de Ciències de Materials de Hefei, Acadèmia Xinesa de Ciències, Patent de la Invenció d’un material de blindatge compost de marc orgànic basat en Gadolinium i el seu mètode de preparació

Resum de patents: el material de blindatge de l’esquelet orgànic de metall basat en gadolinium és un material compost format per la barrejagadoliniumMaterial de l’esquelet orgànic de metall basat amb polietilè en una proporció de pes de 2: 1: 10 i formant -lo mitjançant evaporació de dissolvents o premsat en calent. Els materials de blindatge de l’esquelet orgànic de metall de metall de metall tenen una alta estabilitat tèrmica i una capacitat de blindatge de neutrons tèrmics.

Procés de fabricació: selecció de diferentsmetall gadoliniumSals i lligands orgànics per preparar i sintetitzar diferents tipus de materials d’esquelet orgànics metàl·lics basats en gadolinium, rentar -les amb petites molècules de metanol, etanol o aigua per centrifugació i activant -les a temperatura alta en condicions de buit per eliminar completament les matèries primeres residuals no reaccionades en els porus dels materials de l’esquelet orgànica de metall basats en el gadolini; El material d’esquelet organometàlic basat en gadolinium preparat al pas s’agita amb la loció de polietilè a una velocitat alta, o ultrasònicament, o el material de l’esquelet orgolinitallic a base de gadolinium preparat en el pas es barreja amb un polietilè molecular de pes ultra alt a alta temperatura fins a una temperatura totalment barrejada; Col·loqueu el material de l’esquelet orgànic orgànic de metall orgànica de metall de metall de forma uniformement al motlle i obteniu el material de blindatge de l’esquelet orgànic de metall basat en gadolinium format per assecar -se per promoure l’evaporació de dissolvents o el premsat calent; El material de blindatge de l’esquelet orgànic de metall preparat per a Gadolinium ha millorat significativament la resistència a la calor, les propietats mecàniques i la capacitat de blindatge de neutrons tèrmics superiors en comparació amb els materials de polietilè pur.

Mode d'addició de terres rares: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 o GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Polímer de coordinació cristal·lina porosa que conté gadolinium, que s'obté mitjançant polimerització de coordinació de la polimerització de la coordinació de la polimerització de la coordinació de la coordinació deGD (NO3) 3 • 6H2O o GDCL3 • 6H2Oi lligand de carboxilat orgànic; La mida del material d’esquelet orgànic de metall basat en gadolinium és de 50nm-2 μ m ； materials d’esquelet orgànic de metall basats en gadolinium tenen diferents morfologies, incloses formes granulars, en forma de barra o en forma d’agulla.

（4） Aplicació deEscandia la radioquímica i a la indústria nuclear

El metall Scandium té una bona estabilitat tèrmica i un fort rendiment d’absorció de fluor, cosa que el converteix en un material indispensable en la indústria de l’energia atòmica.

Patent clau: Xina Desenvolupament Aeroespacial Institut de Materials Aeronàutics de Beijing, Patent d’invenció per a un aliatge d’alumini de magnesi de zinc magnesi i el seu mètode de preparació

Resum de patents: un zinc d'aluminialiatge de magnesi escandii el seu mètode de preparació. La composició química i el percentatge de pes de l’aliatge d’alumini de zinc magnesi scandium són: mg 1,0%-2,4%, zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, zr 0,04%-0,35%, impuritats cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4 0,15%, i la quantitat restant és Al. La microestructura d’aquest material d’aliatge de magnesi de magnesi d’alumini és uniforme i el seu rendiment és estable, amb una resistència a la tracció de més de 400MPa, una resistència de rendiment de més de 350MPa i una resistència a la tracció de més de 370MPa per a articulacions soldades. Els productes materials es poden utilitzar com a elements estructurals en aeroespacial, indústria nuclear, transport, articles esportius, armes i altres camps.

Procés de fabricació: Pas 1, ingredient segons la composició d’aliatge anterior; Pas 2: fondre al forn de fosa a una temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Pas 3: perfeccioneu el líquid metàl·lic completament fos i manteniu la temperatura del metall dins del rang de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durant la perfecció; Pas 4: Després de la perfecció, hauria de deixar -se completament parat; Pas 5: Després de parar completament, comenceu a cedir, mantingueu la temperatura del forn dins del rang de 690 ℃ ~ 730 ℃, i la velocitat de colada és de 15-200mm/minut; Pas 6: Realitzeu un tractament de recobriment d’homogeneïtzació a l’ingot d’aliatge al forn de calefacció, amb una temperatura d’homogeneïtzació de 400 ℃ ~ 470 ℃; Pas 7: Peleu el lingot homogeneïtzat i realitzeu extrusió calenta per produir perfils amb un gruix de paret superior a 2,0 mm. Durant el procés d’extrusió, s’ha de mantenir la factura a una temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Pas 8: Premeu el perfil per al tractament de la solució, amb una temperatura de solució de 460-480 ℃; Pas 9: Després de 72 hores de solució de solució sòlida, força l’envelliment manualment. El sistema d’envelliment de la força manual és: 90 ~ 110 ℃/24 hores+170 ~ 180 ℃/5 hores, o 90 ~ 110 ℃/24 hores+145 ~ 155 ℃/10 hores.

5 、 Resum de la investigació

En conjunt, les terres rares s’utilitzen àmpliament en la fusió nuclear i la fissió nuclear i tenen molts dissenys de patents en direccions tècniques com l’excitació de raigs X, la formació de plasma, el reactor d’aigua lleugera, el transurani, l’uranil i l’òxid en pols. Pel que fa als materials del reactor, les terres rares es poden utilitzar com a materials estructurals del reactor i materials d’aïllament ceràmic relacionats, materials de control i materials de protecció contra la radiació de neutrons.