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 als materials utilitzats exclusivament en la indústria nuclear i la recerca científica nuclear, incloent-hi el combustible nuclear i els materials d'enginyeria nuclear, és a dir, materials no combustibles nuclears.

Els materials nuclears que es coneixen habitualment es refereixen principalment als materials utilitzats en diverses parts del reactor, també coneguts com a materials del reactor. Els materials del reactor inclouen el 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 de coassociació entre els recursos de terres rares i els recursos nuclears

La monazita, també anomenada fosfocerita i fosfocerita, és un mineral accessori comú en roca ígnia d'àcid intermedi i roca metamòrfica. La monazita és un dels principals minerals del mineral de terres rares, i també existeix en algunes roques sedimentàries. Vermell marró, groc, de vegades groc marró, amb una brillantor greixosa, escissió completa, duresa Mohs de 5-5,5 i gravetat específica de 4,9-5,5.

El principal mineral d'alguns dipòsits de terres rares de tipus placer a la Xina és la monazita, que es troba principalment 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 placer 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 terres rares en la fusió nuclear i la fissió nuclear basada en l'anàlisi panoràmica de patents.

Després que les paraules clau dels elements de cerca de terres rares s'hagin expandit 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 simple de famílies i es van determinar 4673 patents després de la reducció artificial del soroll.

Les sol·licituds de patents 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. Un nombre considerable de patents es presenten en forma de PCT, de les quals les sol·licituds de tecnologia de patents xineses han anat augmentant, especialment des del 2009, entrant en una fase de ràpid creixement, i el Japó, els Estats Units i Rússia han continuat desenvolupant-se 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 i la fusió nuclear en països/regions

De l'anàlisi dels temes tècnics es pot veure que l'aplicació de terres rares en la fusió nuclear i la fissió nuclear se centra en elements combustibles, centellejadors, 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, les reaccions de fusió nuclear i fissió nuclear en materials nuclears són intenses i els requisits per als materials són estrictes. Actualment, els reactors de potència són principalment reactors de fissió nuclear i els reactors de fusió es podrien popularitzar a gran escala després de 50 anys. L'aplicació deterres rareselements en materials estructurals de reactors; 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 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 nuclis nous és generalment relativament alta. Especialment en les primeres etapes del primer cicle de recàrrega, quan tot el combustible nuclear del nucli és nou, la reactivitat restant és la més alta. En aquest punt, confiar únicament en l'augment de les barres de control per compensar la reactivitat residual introduiria més barres de control. Cada barra de control (o feix de barres) correspon a la introducció d'un mecanisme d'accionament complex. D'una banda, això augmenta els costos i, d'altra banda, obrir forats al cap del recipient a pressió pot conduir a una disminució de la resistència estructural. No només no és econòmic, sinó que tampoc es permet tenir una certa quantitat de porositat i resistència estructural al cap 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.

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

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

1). Acer de terres rares

El reactor nuclear té unes condicions físiques i químiques extremes, i cada component del reactor també té uns requisits elevats pel que fa a l'acer especial utilitzat. Els elements de terres rares tenen efectes de modificació especials sobre l'acer, principalment incloent-hi 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 en els reactors nuclears.

① Efecte de purificació: La recerca existent ha demostrat que les terres rares tenen un bon efecte de purificació sobre 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 condensi, 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 en l'acer fos amb elements nocius com l'oxigen i el sofre poden quedar parcialment retinguts 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 Microaliatge: si s'augmenta encara més l'addició de terres rares, les terres rares restants es dissoldran a l'acer després que es completin 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 alta. 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'impuresa al límit del gra, enfortint 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 per 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'autocorrosió més alt que l'acer inoxidable. Per tant, l'addició de terres rares pot augmentar el potencial d'autocorrosió de l'acer inoxidable, millorant així l'estabilitat de l'acer en medis corrosius.

2). Estudi clau de patents

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

Resum de patent: Es proporciona un acer de baixa activació reforçat amb dispersió d'òxid 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: fusió de l'aliatge mare Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomització de la pols, mòlta de boles d'alta energia de l'aliatge mare iNanopartícula de Y2O3pols mixta, extracció envoltant de pols, emmotllament 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 medi de mòlta de boles que són boles d'acer dur mixtes Φ 6 i Φ 10, amb una atmosfera de mòlta de boles de gas argó al 99,99%, una relació de massa de material de bola de (8-10): 1, un temps de mòlta 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 la d'un protó, similar als raigs γ. Els raigs no tenen la mateixa càrrega. Quan els neutrons interactuen amb la matèria, interactuen principalment amb les forces nuclears de l'interior del nucli i no interactuen amb els electrons de la capa externa.

Amb el ràpid desenvolupament de l'energia nuclear i la tecnologia dels reactors nuclears, s'ha prestat cada cop més atenció a la seguretat radiològica nuclear i a la protecció radiològica nuclear. Per tal d'enfortir la protecció radiològica dels operadors que han participat durant molt de temps en el manteniment d'equips de radiació i el rescat d'accidents, té una gran importància científica i valor econòmic desenvolupar materials compostos de blindatge lleuger per a la roba protectora. La radiació de neutrons és la part més important de la radiació dels reactors nuclears. 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 elàsticament amb nuclis amb un nombre atòmic més baix 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 metàl·lic basats en polietilè augmenten la seva compatibilitat amb el polietilè, cosa que promou que els materials compostos sintetitzats tinguin un contingut i una dispersió de gadolini més elevats. L'alt contingut i dispersió de gadolini afectaran directament el rendiment de blindatge de neutrons dels materials compostos.

Patent clau: Institut de Ciència de Materials de Hefei, Acadèmia Xinesa de Ciències, patent d'invenció d'un material de blindatge compost d'estructura orgànica a base de gadolini i el seu mètode de preparació

Resum de la patent: El material de blindatge compost d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini és un material compost format per barrejagadolinimaterial d'esquelet metàl·lic orgànic a base de polietilè amb 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 metàl·lic orgànic a base de gadolini tenen una alta estabilitat tèrmica i capacitat de blindatge contra neutrons tèrmics.

Procés de fabricació: selecció de diferentsgadolini metallsals 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 sense reaccionar als porus dels materials d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini; El material d'esquelet organometàl·lic a base de gadolini preparat al pas es remena amb loció de polietilè a alta velocitat o per ultrasons, o el material d'esquelet organometàl·lic a base de gadolini preparat al pas es barreja per fusió amb polietilè de pes molecular ultra alt a alta temperatura fins que estigui completament barrejat; Col·loqueu la barreja de material/polietilè d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini uniformement barrejada al motlle i obteniu el material de blindatge compost d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini format assecant-lo per promoure l'evaporació del dissolvent o premsant en calent; El material de blindatge compost d'esquelet orgànic metàl·lic a base de gadolini preparat 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 purs.

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 metàl·lic orgànic basat en gadolini és de 50 nm-2 μm; Els materials d'esquelet metàl·lic orgànic basats en gadolini tenen diferents morfologies, incloent formes granulars, en forma de vareta o en forma d'agulla.

(4) Aplicació deEscandien radioquímica i indústria nuclear

L'escandi metàl·lic 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: Institut de Materials Aeronàutics de Pequín per al Desenvolupament Aeroespacial de la Xina, patent d'invenció per a un aliatge d'alumini, zinc, magnesi i escandi i el seu mètode de preparació

Resum de patent: Un zinc d'aluminialiatge de magnesi i escandii el seu mètode de preparació. La composició química i el percentatge en pes de l'aliatge d'alumini-zinc-magnesi-escandi 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 individuals ≤ 0,05%, altres impureses totals ≤ 0,15% i la quantitat restant és Al. La microestructura d'aquest material d'aliatge d'alumini-zinc-magnesi-escandi és uniforme i el seu rendiment és estable, amb una resistència a la tracció final de més de 400 MPa, un límit elàstic de més de 350 MPa i una resistència a la tracció de més de 370 MPa per a unions soldades. Els productes materials es poden utilitzar com a elements estructurals en la indústria aeroespacial, nuclear, transport, articles esportius, armes i altres camps.

Procés de fabricació: Pas 1, ingredient segons la composició de l'aliatge anterior; Pas 2: Foneu al forn de fusió a una temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Pas 3: Refineu el líquid metàl·lic completament fos i manteniu la temperatura del metall dins del rang de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durant el refinament; Pas 4: Després del refinament, s'ha de deixar reposar completament; Pas 5: Després del reposar completament, comenceu la colada, 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 realitzeu una extrusió en calent per produir perfils amb un gruix de paret superior a 2,0 mm. Durant el procés d'extrusió, el lingot s'ha de mantenir a una temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Pas 8: Premeu el perfil per al tractament de refredament en solució, amb una temperatura de solució de 460-480 ℃; Pas 9: Després de 72 hores de refredament en solució sòlida, forceu l'envelliment manualment. El sistema d'envelliment forçat 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 moltes patents en àrees tècniques com l'excitació de raigs X, la formació de plasma, el reactor d'aigua lleugera, el transurà, l'uranil i la 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.