1. Branduolinių medžiagų apibrėžimas
Plačiąja prasme branduolinė medžiaga yra bendrinis terminas, apimantis medžiagas, naudojamas tik branduolinėje pramonėje ir branduoliniuose moksliniuose tyrimuose, įskaitant branduolinį kurą ir branduolines inžinerijos medžiagas, t. y. nebranduolinio kuro medžiagas.
Paprastai vadinamos branduolinėmis medžiagomis daugiausia vadinamos medžiagos, naudojamos įvairiose reaktoriaus dalyse, dar vadinamos reaktoriaus medžiagomis. Reaktoriaus medžiagos apima branduolinį kurą, kuris neutronų bombardavimo metu dalijasi branduoliu, branduolinio kuro komponentų apvalkalo medžiagas, aušinimo skysčius, neutronų moderatorius (moderatorius), valdymo strypų medžiagas, kurios stipriai sugeria neutronus, ir atspindinčias medžiagas, kurios neleidžia neutronams nutekėti už reaktoriaus ribų.
2. Retųjų žemių išteklių ir branduolinių išteklių ryšys
Monazitas, dar vadinamas fosfokeritu ir fosfokeritu, yra dažnas pagalbinis mineralas tarpinių rūgščių magminių uolienų ir metamorfinių uolienų sudėtyje. Monazitas yra vienas iš pagrindinių retųjų žemių metalų rūdų mineralų, taip pat yra kai kuriose nuosėdinėse uolienose. Rusvai raudona, geltona, kartais rusvai geltona, su riebiu blizgesiu, visiškai skilęs, Moso kietumas 5–5,5, o savitasis svoris 4,9–5,5.
Pagrindinis kai kurių Kinijos retųjų žemių telkinių rūdos mineralas yra monacitas, daugiausia randamas Tongčenge, Hubėjuje, Juejange, Hunane, Šangrao, Dziangsi, Menhajuje, Junane ir He apskrityse, Guangsi provincijose. Tačiau retųjų žemių išteklių gavyba dažnai neturi ekonominės reikšmės. Pavieniuose akmenyse dažnai yra refleksyviųjų torio elementų, jie taip pat yra pagrindinis komercinio plutonio šaltinis.
3. Retųjų žemių panaudojimo branduolių sintezėje ir branduolių dalijime apžvalga, pagrįsta patentų panoramine analize
Visiškai išskleidus retųjų žemių paieškos elementų raktinius žodžius, jie sujungiami su branduolių dalijimosi ir branduolių sintezės išplėtimo raktais bei klasifikacijos numeriais ir ieškoma „Incopt“ duomenų bazėje. Paieškos data – 2020 m. rugpjūčio 24 d. Po paprasto šeimos sujungimo gauti 4837 patentai, o po dirbtinio triukšmo mažinimo nustatyti 4673 patentai.
Retųjų žemių elementų patentų paraiškos branduolių dalijimosi ar branduolių sintezės srityje yra paskirstytos 56 šalyse / regionuose, daugiausia Japonijoje, Kinijoje, Jungtinėse Amerikos Valstijose, Vokietijoje, Rusijoje ir kt. Nemažai patentų yra paraiškų pagal PCT, iš kurių Kinijos patentų technologijų paraiškų skaičius auga, ypač nuo 2009 m., kai šalis pradėjo sparčiai augti, o Japonija, Jungtinės Amerikos Valstijos ir Rusija jau daugelį metų tęsia veiklą šioje srityje (1 pav.).
1 pav. Technologijų patentų, susijusių su retųjų žemių panaudojimu branduolio dalijimosi ir branduolių sintezės srityse, paraiškų tendencijos šalyse / regionuose.
Iš techninių temų analizės matyti, kad retųjų žemių taikymas branduolių sintezėje ir branduolių dalijime daugiausia dėmesio skiria kuro elementams, scintiliatoriams, spinduliuotės detektoriams, aktinidams, plazmoms, branduoliniams reaktoriams, ekranuojančioms medžiagoms, neutronų absorbcijai ir kitoms techninėms kryptims.
4. Retųjų žemių elementų branduolinėse medžiagose specifinis pritaikymas ir pagrindiniai patentų tyrimai
Tarp jų branduolių sintezės ir branduolių dalijimosi reakcijos branduolinėse medžiagose yra intensyvios, o medžiagų reikalavimai yra griežti. Šiuo metu energetiniai reaktoriai daugiausia yra branduolių dalijimosi reaktoriai, o sintezės reaktoriai gali būti plačiai išpopuliarėję po 50 metų. Taikymasretųjų žemiųelementai reaktorių konstrukcinėse medžiagose; specifinėse branduolinės chemijos srityse retųjų žemių elementai daugiausia naudojami valdymo strypuose; be to,skandistaip pat buvo naudojamas radiochemijoje ir branduolinėje pramonėje.
(1) Kaip degiosios nuodos arba valdymo strypas neutronų lygiui ir branduolinio reaktoriaus kritinei būsenai reguliuoti
Energetiniuose reaktoriuose naujų aktyviųjų zonų pradinis liekamasis reaktyvumas paprastai yra gana didelis. Ypač ankstyvuosiuose pirmojo degalų papildymo ciklo etapuose, kai visas aktyviojoje zonoje esantis branduolinis kuras yra naujas, likęs reaktyvumas yra didžiausias. Šiuo metu, pasikliaujant vien tik valdymo strypų didinimu, siekiant kompensuoti likutinį reaktyvumą, reikėtų įdiegti daugiau valdymo strypų. Kiekvienas valdymo strypas (arba strypų pluoštas) atitinka sudėtingo pavaros mechanizmo įvedimą. Viena vertus, tai padidina sąnaudas, kita vertus, skylių atidarymas slėgio indo dangtyje gali sumažinti konstrukcijos stiprumą. Tai ne tik neekonomiška, bet ir neleidžiama turėti tam tikro poringumo ir konstrukcijos stiprumo slėgio indo dangtyje. Tačiau nedidinant valdymo strypų, būtina padidinti cheminių medžiagų kompensuojančių toksinų (pvz., boro rūgšties) koncentraciją, kad būtų kompensuotas likęs reaktyvumas. Tokiu atveju boro koncentracija lengvai viršys ribą, o moderatoriaus temperatūros koeficientas taps teigiamas.
Siekiant išvengti minėtų problemų, valdymui paprastai galima naudoti degių toksinų, valdymo strypų ir cheminės kompensacijos valdymo derinį.
(2) Kaip priedas reaktoriaus konstrukcinių medžiagų eksploatacinėms savybėms gerinti
Reaktoriams reikalingi konstrukciniai komponentai ir kuro elementai, kurie pasižymėtų tam tikru stiprumo, atsparumo korozijai ir didelio terminio stabilumo lygiu, kartu neleisdami skilimo produktams patekti į aušinimo skystį.
1) .Retųjų žemių plienas
Branduolinis reaktorius turi ekstremalias fizines ir chemines sąlygas, o kiekvienam reaktoriaus komponentui taip pat keliami aukšti reikalavimai naudojamam specialiam plienui. Retųjų žemių elementai turi specialų modifikacinį poveikį plienui, daugiausia apima valymą, metamorfizmą, mikrolegiravimą ir atsparumo korozijai gerinimą. Branduoliniuose reaktoriuose taip pat plačiai naudojami retųjų žemių turintys plienai.
1. Valymo efektas: Esami tyrimai parodė, kad retieji žemių elementai gerai valo išlydytą plieną aukštoje temperatūroje. Taip yra todėl, kad retieji žemių elementai gali reaguoti su kenksmingais elementais, tokiais kaip deguonis ir siera išlydytame pliene, ir susidaryti aukštos temperatūros junginiai. Aukštos temperatūros junginiai gali būti nusodinami ir išsiskiria intarpų pavidalu prieš išlydytam plienui kondensuojantis, taip sumažinant priemaišų kiekį išlydytame pliene.
② Metamorfizmas: kita vertus, retųjų žemių elementų, esančių išlydytame pliene, reakcijos su kenksmingais elementais, tokiais kaip deguonis ir siera, susidarę oksidai, sulfidai arba oksisulfidai gali būti iš dalies sulaikyti išlydytame pliene ir tapti aukštos lydymosi temperatūros plieno intarpais. Šie intarpai gali būti naudojami kaip heterogeniniai kristalizacijos centrai išlydyto plieno kietėjimo metu, taip pagerinant plieno formą ir struktūrą.
③ Mikrolegiravimas: jei retųjų žemių priedas dar labiau padidinamas, likę retieji žemiai ištirps pliene po minėto valymo ir metamorfizmo. Kadangi retųjų žemių atominis spindulys yra didesnis nei geležies atomo, retieji žemiai pasižymi didesniu paviršiaus aktyvumu. Išlydyto plieno kietėjimo procese retųjų žemių elementai praturtėja ties grūdelių riba, o tai gali geriau sumažinti priemaišų atsiskyrimą ties grūdelių riba, taip sustiprinant kietąjį tirpalą ir atliekant mikrolegiravimo vaidmenį. Kita vertus, dėl retųjų žemių vandenilio kaupimo savybių jie gali absorbuoti vandenilį pliene, taip efektyviai pagerindami plieno vandenilio trapumo reiškinį.
4. Atsparumo korozijai gerinimas: retųjų žemių elementų pridėjimas taip pat gali pagerinti plieno atsparumą korozijai. Taip yra todėl, kad retųjų žemių elementų savaiminės korozijos potencialas yra didesnis nei nerūdijančio plieno. Todėl retųjų žemių elementų pridėjimas gali padidinti nerūdijančio plieno savaiminės korozijos potencialą ir taip pagerinti plieno stabilumą korozinėje terpėje.
2). Pagrindinis patentų tyrimas
Pagrindinis patentas: Kinijos mokslų akademijos Metalų instituto išradimo patentas oksidų dispersijoje sustiprintam mažai aktyvinamuoju plienui ir jo gamybos metodui
Patento santrauka: Pateikiamas oksidų dispersija sustiprintas mažai aktyvintas plienas, tinkamas naudoti sintezės reaktoriuose, ir jo paruošimo būdas, besiskiriantis tuo, kad legiruojamųjų elementų procentinė dalis bendroje mažai aktyvinto plieno masėje yra: matrica yra 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 % ir 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.
Gamybos procesas: Fe-Cr-WV-Ta-Mn motininio lydinio lydymas, miltelių atomizavimas, motininio lydinio malimas dideliu energijos kiekiu rutuliniu būdu irY2O3 nanodalelėsmišrūs milteliai, miltelių apgaubimo ekstrakcija, kietinimo liejimas, karštas valcavimas ir terminis apdorojimas.
Retųjų žemių pridėjimo metodas: pridėkite nanoskalėsY2O3dalelių sumaišymas su pagrindiniu lydiniu, atomizuoti milteliai, skirti didelės energijos rutuliniam malimui, kai rutulinio malimo terpė yra Φ 6 ir Φ 10 mišrūs kieto plieno rutuliai, rutulinio malimo atmosfera yra 99,99 % argono dujų, rutulio medžiagos masės santykis yra (8-10): 1, rutulinio malimo laikas yra 40–70 valandų, o sukimosi greitis yra 350–500 aps./min.
3) .Naudojamas neutronų spinduliuotės apsaugos medžiagoms gaminti
① Neutroninės spinduliuotės apsaugos principas
Neutronai yra atomo branduolio komponentai, kurių statinė masė yra 1,675 × 10⁻⁷ kg, tai yra 1838 kartus didesnė už elektroninę masę. Jo spindulys yra maždaug 0,8 × 10⁻⁷ m, panašus į protono dydį, panašus į γ spinduliai yra vienodai neįkrauti. Kai neutronai sąveikauja su medžiaga, jie daugiausia sąveikauja su branduolio jėgomis branduolio viduje ir nesąveikauja su elektronais išoriniame sluoksnyje.
Sparčiai tobulėjant branduolinei energijai ir branduolinių reaktorių technologijoms, vis daugiau dėmesio skiriama branduolinės radiacijos saugai ir apsaugai nuo spinduliuotės. Siekiant sustiprinti operatorių, kurie ilgą laiką užsiima radiacinės įrangos priežiūra ir gelbėjimu avarijų atveju, radiacinę saugą, didelę mokslinę reikšmę ir ekonominę vertę turi lengvų ekranuojančių kompozitų, skirtų apsauginiams drabužiams, kūrimas. Neutronų spinduliuotė yra svarbiausia branduolinio reaktoriaus spinduliuotės dalis. Paprastai dauguma neutronų, tiesiogiai kontaktuojančių su žmonėmis, dėl branduolinio reaktoriaus viduje esančių konstrukcinių medžiagų neutronų ekranavimo efekto sulėtinami iki mažos energijos neutronų. Mažos energijos neutronai elastingai susiduria su mažesnio atominio skaičiaus branduoliais ir toliau yra moderuojami. Moderuotus šiluminius neutronus sugeria elementai, turintys didesnį neutronų sugerties skerspjūvį, ir galiausiai bus pasiektas neutronų ekranavimas.
② Pagrindinių patentų tyrimas
Porėtos ir organinės-neorganinės hibridinės savybėsretųjų žemių elementasgadolinisMetalo pagrindu sukurtos organinio karkaso medžiagos padidina jų suderinamumą su polietilenu, todėl susintetintose kompozicinėse medžiagose padidėja gadolinio kiekis ir gadolinio dispersija. Didelis gadolinio kiekis ir dispersija tiesiogiai paveiks kompozicinių medžiagų neutronų ekranavimo savybes.
Pagrindinis patentas: Hefėjaus medžiagų mokslo institutas, Kinijos mokslų akademija, gadolinio pagrindu pagamintos organinės karkasinės kompozicinės apsauginės medžiagos ir jos paruošimo metodo išradimo patentas
Patento santrauka: Gadolinio pagrindu pagaminta metalinio organinio karkaso kompozicinė ekranuojanti medžiaga yra kompozicinė medžiaga, suformuota maišantgadolinisMetalinio organinio karkaso medžiaga su polietilenu, kurio svorio santykis yra 2:1:10, ir formuojama tirpiklio garinimo arba karšto presavimo būdu. Gadolinio pagrindu pagamintos metalinio organinio karkaso kompozicinės ekranuojančios medžiagos pasižymi dideliu terminiu stabilumu ir terminio neutrono ekranavimo gebėjimu.
Gamybos procesas: skirtingų pasirinkimų atlikimasgadolinio metalasdruskų ir organinių ligandų, skirtų įvairių tipų gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso medžiagoms paruošti ir susintetinti, jas plaunant mažomis metanolio, etanolio arba vandens molekulėmis centrifuguojant ir aktyvuojant aukštoje temperatūroje vakuumo sąlygomis, siekiant visiškai pašalinti likusias nesureagavusias žaliavas iš gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso medžiagų porų; Šiame etape paruošta gadolinio pagrindo organometalinio karkaso medžiaga maišoma su polietileno losjonu dideliu greičiu arba ultragarsu, arba šiame etape paruošta gadolinio pagrindo organometalinio karkaso medžiaga išlydomai maišoma su itin didelės molekulinės masės polietilenu aukštoje temperatūroje, kol visiškai susimaišo; Tolygiai sumaišytą gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso medžiagos ir polietileno mišinį supilkite į formą ir gaukite suformuotą gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso kompozicinę ekranuojančią medžiagą džiovinant, kad būtų skatinamas tirpiklio garavimas, arba karštuoju presavimu; Paruošta gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso kompozicinė ekranuojanti medžiaga pasižymi žymiai pagerintu atsparumu karščiui, mechaninėmis savybėmis ir geresniu šiluminių neutronų ekranavimo gebėjimu, palyginti su grynomis polietileno medžiagomis.
Retųjų žemių elementų prijungimo būdas: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 arba Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 – porėtas kristalinis koordinacinis polimeras, kurio sudėtyje yra gadolinio, gaunamas koordinacinės polimerizacijos būduGd (NO3)3 • 6H2O arba GdCl3 • 6H2Oir organinis karboksilato ligandas; Gadolinio pagrindu sukurtos metalinės organinės karkaso medžiagos dydis yra 50 nm–2 μm; Gadolinio pagrindu sukurtos metalinės organinės karkaso medžiagos gali būti skirtingos morfologijos, įskaitant granuliuotas, strypo formos arba adatos formos formas.
(4) TaikymasSkandisRadiochemijos ir branduolinės pramonės
Skandžio metalas pasižymi geru terminiu stabilumu ir didele fluoro absorbcijos savybe, todėl jis yra nepakeičiama medžiaga atominės energijos pramonėje.
Pagrindinis patentas: Kinijos aviacijos ir kosmoso plėtros Pekino aeronautikos medžiagų institutas, aliuminio cinko magnio skandžio lydinio ir jo gamybos metodo išradimo patentas
Patento santrauka: Aliuminio cinkomagnio skandžio lydinysir jo paruošimo būdas. Aliuminio cinko magnio skandžio lydinio cheminė sudėtis ir svorio procentinė dalis yra: Mg 1,0–2,4 %, Zn 3,5–5,5 %, Sc 0,04–0,50 %, Zr 0,04–0,35 %, priemaišos Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, kitos priemaišos pavienės ≤ 0,05 %, kitos priemaišos iš viso ≤ 0,15 %, o likusi dalis yra Al. Šios aliuminio cinko magnio skandžio lydinio medžiagos mikrostruktūra yra vienoda, o jos eksploatacinės savybės stabilios, o didžiausias tempiamasis stipris viršija 400 MPa, takumo riba – daugiau nei 350 MPa, o suvirintų jungčių tempiamasis stipris – daugiau nei 370 MPa. Medžiagos gaminiai gali būti naudojami kaip konstrukciniai elementai aviacijos ir kosmoso, branduolinės pramonės, transporto, sporto prekių, ginklų ir kitose srityse.
Gamybos procesas: 1 veiksmas, sudedamosios dalys pagal aukščiau nurodytą lydinio sudėtį; 2 veiksmas: lydymas lydymo krosnyje 700 ℃–780 ℃ temperatūroje; 3 veiksmas: visiškai ištirpusio metalo skysčio valymas ir metalo temperatūros palaikymas 700 ℃–750 ℃ diapazone valymo metu; 4 veiksmas: po valcavimo leisti jam visiškai pastovėti; 5 veiksmas: visiškai pastovėjus, pradėti liejimą, krosnies temperatūrą palaikyti 690 ℃–730 ℃ diapazone, o liejimo greitis – 15–200 mm/min.; 6 veiksmas: lydinio luito homogenizavimo atkaitinimo apdorojimas kaitinimo krosnyje, homogenizavimo temperatūra 400 ℃–470 ℃; 7 veiksmas: homogenizuoto luito nulupimas ir karštas ekstruzijos procesas, siekiant pagaminti profilius, kurių sienelių storis didesnis nei 2,0 mm. Ekstruzijos proceso metu ruošinys turi būti laikomas 350–410 ℃ temperatūroje; 8 veiksmas: suspauskite profilį tirpalo gesinimo apdorojimui, tirpalo temperatūra turi būti 460–480 ℃; 9 veiksmas: po 72 valandų kietojo tirpalo gesinimo rankiniu būdu sendinkite. Rankinio sendinimo sistema yra: 90–110 ℃ / 24 valandos + 170–180 ℃ / 5 valandos arba 90–110 ℃ / 24 valandos + 145–155 ℃ / 10 valandų.
5. Tyrimo santrauka
Apskritai retieji žemių elementai yra plačiai naudojami branduolių sintezėje ir branduolių dalijime ir turi daug patentų tokiose techninėse srityse kaip rentgeno spindulių sužadinimas, plazmos formavimas, lengvojo vandens reaktorius, transuranas, uranilo ir oksido milteliai. Kalbant apie reaktorių medžiagas, retieji žemių elementai gali būti naudojami kaip reaktorių konstrukcinės medžiagos ir susijusios keraminės izoliacinės medžiagos, valdymo medžiagos ir neutronų spinduliuotės apsaugos medžiagos.
Įrašo laikas: 2023 m. gegužės 26 d.