Aplicació d'elements de terres rares en materials nuclears

1、 Definició de materials nuclears

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

Els materials nuclears es refereixen principalment als materials utilitzats en diverses parts del reactor, també coneguts 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 barres de control que absorbeixen fortament els neutrons i materials reflectants que eviten les fuites de neutrons fora del reactor.

2、 Relació associada entre els recursos de terres rares i els recursos nuclears

La monazita, també anomenada fosfocerita i fosfocerita, és un mineral accessori comú a les roques ígnies àcides intermèdies i les roques metamòrfiques. La monazita és un dels principals minerals del mineral de metalls de terres rares, i també existeix en algunes roques sedimentàries. Vermell marronós, groc, de vegades groc marronós, amb una brillantor greixosa, escissió completa, duresa Mohs de 5-5,5 i gravetat específica de 4,9-5,5.

El principal mineral mineral d'alguns jaciments de terres rares de tipus placer a la Xina és la monazita, situada principalment a Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan i He County, Guangxi. Tanmateix, l'extracció de recursos de terres rares de tipus placer sovint no té importància econòmica. Les pedres solitàries sovint contenen elements reflexius de tori i també són la principal font de plutoni comercial.

3、 Visió general de l'aplicació de terres rares en fusió nuclear i fissió nuclear basada en l'anàlisi panoràmica de patents

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

Les sol·licituds de patent de terres rares en el camp de la fissió nuclear o la fusió nuclear es distribueixen en 56 països/regions, principalment concentrades al Japó, la Xina, els Estats Units, Alemanya i Rússia, etc. S'apliquen un nombre considerable de patents en forma de PCT. , de les quals les aplicacions de tecnologia de patent xinesa han anat augmentant, sobretot des del 2009, entrant en una etapa de creixement ràpid, i el Japó, els Estats Units i Rússia han continuat disposant en aquest camp durant molts anys (figura 1).

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

A partir de l'anàlisi de temes tècnics es pot veure que l'aplicació de terres rares en la fusió nuclear i la fissió nuclear se centra en elements combustibles, centelleigs, detectors de radiació, actínids, plasmes, reactors nuclears, materials de blindatge, absorció de neutrons i altres direccions tècniques.

4、 Aplicacions específiques i recerca clau de patents d'elements de terres rares en materials nuclears

Entre elles, la fusió nuclear i les reaccions de fissió nuclear en materials nuclears són intenses i els requisits dels materials són estrictes. Actualment, els reactors de potència són principalment reactors de fissió nuclear, i els reactors de fusió poden popularitzar-se a gran escala després de 50 anys. L'aplicació deterres rareselements en materials estructurals del reactor; En camps químics nuclears específics, els elements de terres rares s'utilitzen principalment en barres de control; A més,escandiTambé s'ha utilitzat en radioquímica i indústria nuclear.

（1） Com a verí combustible o vareta 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 nuclis nous és generalment relativament alta. Especialment en les primeres etapes del primer cicle de reabastament, quan tot el combustible nuclear del nucli és nou, la reactivitat restant és la més alta. En aquest punt, confiar únicament en augmentar les barres de control per compensar la reactivitat residual introduiria més barres de control. Cada barra de control (o paquet de barres) 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 capçal del recipient a pressió pot provocar una disminució de la resistència estructural. No només no és econòmic, sinó que tampoc es permet tenir una certa porositat i resistència estructural al capçal del recipient a 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 esdevindrà positiu.

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

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

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

1) .Acer de terres rares

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

① Efecte de purificació: les investigacions existents han demostrat que les terres rares tenen un bon efecte de purificació de l'acer fos a altes temperatures. Això es deu al fet que les terres rares poden reaccionar amb elements nocius com l'oxigen i el sofre de l'acer fos per generar compostos d'alta temperatura. Els compostos d'alta temperatura es poden precipitar i descarregar en forma d'inclusions abans que l'acer fos es condense, reduint així el contingut d'impureses a l'acer fos.

② Metamorfisme: d'altra banda, els òxids, sulfurs o oxisulfurs generats per la reacció de terres rares a l'acer fos amb elements nocius com l'oxigen i el sofre es poden retenir parcialment a l'acer fos i convertir-se en inclusions d'acer amb alt punt de fusió. . 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 Microaliatge: si s'incrementa encara més l'addició de terres rares, les terres rares restants es dissoldran a l'acer després de completar la purificació i el metamorfisme anteriors. Com que el radi atòmic de les terres rares és més gran que el de l'àtom de ferro, les terres rares tenen una activitat superficial més gran. Durant el procés de solidificació de l'acer fos, els elements de terres rares s'enriqueixen al límit del gra, cosa que pot reduir millor la segregació d'elements d'impureses al límit del gra, reforçant així la solució sòlida i jugant el paper de microaliatge. D'altra banda, a causa de les característiques d'emmagatzematge d'hidrogen de les terres rares, poden absorbir hidrogen a l'acer, millorant així eficaçment el fenomen de fragilització de l'hidrogen de l'acer.

④ Millora de la resistència a la corrosió: l'addició d'elements de terres rares també pot millorar la resistència a la corrosió de l'acer. Això es deu al fet que les terres rares tenen un potencial d'auto-corrosió més alt que l'acer inoxidable. Per tant, l'addició de terres rares pot augmentar el potencial d'auto-corrosió de l'acer inoxidable, millorant així l'estabilitat de l'acer en mitjans corrosius.

2). Estudi clau de patents

Patent clau: patent d'invenció d'un acer de baixa activació reforçat amb dispersió d'òxids i el seu mètode de preparació per part de l'Institut de Metalls, Acadèmia Xinesa de Ciències

Resum de patent: Es proporciona un acer de baixa activació reforçat amb dispersió d'òxids adequat per a reactors de fusió i el seu mètode de preparació, caracteritzat perquè el percentatge d'elements d'aliatge en la massa total de l'acer de baixa activació és: la matriu és 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% i 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Procés de fabricació: fosa d'aliatge mare Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomització de pols, fresat de boles d'alta energia de l'aliatge mare iNanopartícula Y2O3pols mixta, extracció envoltant de pols, modelat per solidificació, laminació en calent i tractament tèrmic.

Mètode d'addició de terres rares: afegir nanoescalaY2O3partícules a la pols atomitzada d'aliatge principal per a la mòlta de boles d'alta energia, amb el mitjà de fresat de boles que són boles d'acer dur mixtes Φ 6 i Φ 10, amb una atmosfera de mòlta de boles de 99,99% de gas argó, una proporció de massa de material de boles de (8-8). 10): 1, un temps de fresat de boles de 40-70 hores i una velocitat de rotació de 350-500 r/min.

3）.S'utilitza per fabricar 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 d'1,675 × 10-27 kg, que és 1838 vegades la massa electrònica. El seu radi és d'aproximadament 0,8 × 10-15 m, de mida similar a un protó, semblant a que els raigs γ estan igualment sense càrrega. Quan els neutrons interaccionen amb la matèria, interaccionen principalment amb les forces nuclears dins del nucli i no amb els electrons de la capa exterior.

Amb el ràpid desenvolupament de l'energia nuclear i la tecnologia dels reactors nuclears, s'ha prestat cada cop més atenció a la seguretat de la radiació nuclear i la protecció contra la radiació nuclear. Per reforçar la protecció contra la radiació per als operadors que s'han dedicat al manteniment d'equips de radiació i al rescat d'accidents durant molt de temps, és de gran importància científica i valor econòmic desenvolupar compostos de blindatge lleugers per a roba de protecció. La radiació de neutrons és la part més important de la radiació del reactor nuclear. En general, la majoria dels neutrons en contacte directe amb els éssers humans s'han alentit a neutrons de baixa energia després de l'efecte de blindatge de neutrons dels materials estructurals dins del reactor nuclear. Els neutrons de baixa energia xocaran amb nuclis amb menor nombre atòmic elàsticament i continuaran moderant-se. Els neutrons tèrmics moderats seran absorbits per elements amb seccions transversals d'absorció de neutrons més grans, i finalment s'aconseguirà el blindatge de neutrons.

② Estudi clau de patents

Les propietats híbrides poroses i orgàniques-inorgàniques deelement de terres raresgadoliniEls materials d'esquelet orgànic a base de metall augmenten la seva compatibilitat amb el polietilè, afavorint que els materials compostos sintetitzats tinguin un contingut més elevat de gadolini i una dispersió de gadolini. L'alt contingut i dispersió de gadolini afectaran directament el rendiment de blindatge de neutrons dels materials compostos.

Patent clau: Institut Hefei de Ciència dels Materials, Acadèmia Xinesa de Ciències, patent d'invenció d'un material de blindatge compost de marc orgànic basat en gadolini i el seu mètode de preparació

Resum de patent: el material de protecció compost d'esquelet orgànic metàl·lic basat en gadolini és un material compost format per barrejagadolinimaterial d'esquelet orgànic de metall a base de 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 compostos d'esquelet orgànic de metall a base de gadolini tenen una alta estabilitat tèrmica i capacitat de blindatge de neutrons tèrmics.

Procés de fabricació: selecció de diferentsgadolini metàl·licsals i lligands orgànics per preparar i sintetitzar diferents tipus de materials d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini, rentant-los amb petites molècules de metanol, etanol o aigua per centrifugació i activant-los a alta temperatura en condicions de buit per eliminar completament les matèries primeres residuals no reaccionades. en els porus dels materials d'esquelet orgànics metàl·lics a base de gadolini; El material d'esquelet organometàl·lic a base de gadolini preparat al pas s'agita amb una loció de polietilè a gran velocitat, o per ultrasons, o el material d'esquelet organometàl·lic a base de gadolini preparat al pas es barreja amb polietilè de pes molecular ultra alt a alta temperatura fins que es barregi completament; Col·loqueu la barreja de material d'esquelet orgànic de metall a base de gadolini/polietilè uniformement al motlle i obteniu el material de protecció compost d'esquelet orgànic de metall a base de gadolini assecat per promoure l'evaporació del dissolvent o la pressió en calent; El material de blindatge compost d'esquelet orgànic de metall a base de gadolini ha millorat significativament la resistència a la calor, les propietats mecàniques i la capacitat de blindatge de neutrons tèrmics superior 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·lí porós que conté gadolini, que s'obté per polimerització de coordinació deGd (NO3) 3 • 6H2O o GdCl3 • 6H2Oi lligand carboxilat orgànic; La mida del material d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini és de 50 nm-2 μ m; els materials d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini tenen diferents morfologies, incloses formes granulars, en forma de vareta o en forma d'agulla.

（4） Aplicació deEscandien radioquímica i indústria nuclear

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

Patent clau: Desenvolupament aeroespacial de la Xina Institut de Materials Aeronàutics de Pequín, patent d'invenció per a un aliatge d'alumini, zinc, magnesi, escandi i el seu mètode de preparació

Resum de patent: un zinc d'aluminialiatge de magnesi escandii el seu mètode de preparació. La composició química i el percentatge de pes de l'aliatge d'escandi alumini zinc magnesi són: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, impureses Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, altres impureses sol ≤ 0,05%, altres impureses totals ≤ 0,15% i la quantitat restant és Al. La microestructura d'aquest material d'aliatge d'alumini, zinc, escandi i magnesi és uniforme i el seu rendiment és estable, amb una resistència a la tracció màxima de més de 400 MPa, una resistència a la tracció superior a 350 MPa i una resistència a la tracció de més de 370 MPa per a les juntes 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: fondreu al forn de fosa a una temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Pas 3: refinar el líquid metàl·lic completament fos i mantenir la temperatura del metall dins del rang de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durant el refinament; Pas 4: després de refinar, s'ha de deixar totalment quiet; Pas 5: després d'estar completament dempeus, comenceu a llançar, manteniu la temperatura del forn dins del rang de 690 ℃ ~ 730 ℃ i la velocitat de colada és de 15-200 mm/minut; Pas 6: realitzeu un tractament de recuit d'homogeneïtzació al lingot d'aliatge al forn de calefacció, amb una temperatura d'homogeneïtzació de 400 ℃ ~ 470 ℃; Pas 7: Peleu el lingot homogeneïtzat i feu extrusió en calent per produir perfils amb un gruix de paret superior a 2,0 mm. Durant el procés d'extrusió, la palangana s'ha de mantenir a una temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Pas 8: premeu el perfil per al tractament d'extinció de la solució, amb una temperatura de solució de 460-480 ℃; Pas 9: després de 72 hores d'extinció de la solució sòlida, força l'envelliment manualment. El sistema d'envelliment de força manual és: 90~110 ℃/24 hores+170~180 ℃/5 hores, o 90~110 ℃/24 hores+145~155 ℃/10 hores.

5, Resum de la recerca

En general, 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, formació de plasma, reactor d'aigua lleugera, transurani, uranil i pols d'òxid. 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.