1. Branduolinių medžiagų apibrėžimas
Plačiąja prasme branduolinė medžiaga yra bendras terminas medžiagoms, naudojamoms išimtinai branduolinėje pramonėje ir branduoliniuose moksliniuose tyrimuose, įskaitant branduolinį kurą ir branduolines inžinerines medžiagas, ty nebranduolinio kuro medžiagas.
Branduolinėmis medžiagomis dažniausiai vadinamos įvairiose reaktoriaus dalyse naudojamos medžiagos, taip pat žinomos kaip reaktorių medžiagos.Reaktoriaus medžiagos apima branduolinį kurą, kuriame vyksta branduolio dalijimasis bombarduojant neutronais, 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. Bendras retųjų žemių išteklių ir branduolinių išteklių ryšys
Monazitas, dar vadinamas fosfoceritu ir fosfoceritu, yra įprastas papildomas mineralas tarpinės rūgštinės magminės uolienose ir metamorfinėse uolienose.Monazitas yra vienas iš pagrindinių retųjų žemių metalų rūdos mineralų, taip pat yra kai kuriose nuosėdinėse uolienose.Rusvai raudona, geltona, kartais rusvai geltona, su riebiu blizgesiu, visišku skilimu, kietumas pagal Mosą 5-5,5, savitasis svoris 4,9-5,5.
Pagrindinis kai kurių placer tipo retųjų žemių telkinių Kinijoje rūdos mineralas yra monazitas, daugiausia esantis Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan ir He grafystėje, Guangxi.Tačiau placer tipo retųjų žemių išteklių gavyba dažnai neturi ekonominės reikšmės.Pavieniuose akmenyse dažnai yra refleksinių torio elementų, jie taip pat yra pagrindinis komercinio plutonio šaltinis.
3、 Retųjų žemių panaudojimo branduolių sintezėje ir branduolių dalijimosi apžvalga remiantis patentine panoramine analize
Visiškai išplėtus retųjų žemių paieškos elementų raktinius žodžius, jie derinami su branduolių dalijimosi ir branduolių sintezės išplėtimo raktais bei klasifikaciniais numeriais ir atliekama paieška Incopt duomenų bazėje.Paieškos data – 2020 m. rugpjūčio 24 d. 4837 patentai gauti po paprasto šeimos sujungimo, o 4673 patentai nustatyti po dirbtinio triukšmo mažinimo.
Retųjų žemių patentų paraiškos branduolio dalijimosi arba branduolių sintezės srityje platinamos 56 šalyse/regionuose, daugiausia Japonijoje, Kinijoje, JAV, Vokietijoje ir Rusijoje ir kt. Daug patentų taikoma PCT forma. , iš kurių Kinijos patentų technologijų paraiškų daugėjo, ypač nuo 2009 m., įžengiant į spartaus augimo etapą, o Japonija, JAV ir Rusija šioje srityje toliau išdėstė daugelį metų (1 pav.).
1 pav. Technologijų patentų, susijusių su retųjų žemių taikymu branduolių dalijimosi ir branduolių sintezės srityse, taikymo tendencijos šalyse/regionuose
Iš techninių temų analizės matyti, kad retųjų žemių taikymas branduolių sintezėje ir branduolių dalijimosi procese orientuojasi į kuro elementus, scintiliatorius, radiacijos detektorius, aktinidus, plazmas, branduolinius reaktorius, ekranavimo medžiagas, neutronų sugertį ir kitas technines kryptis.
4 、 Retųjų žemių elementų branduolinėse medžiagose specifiniai pritaikymai ir pagrindiniai patentiniai tyrimai
Tarp jų branduolių sintezės ir branduolių dalijimosi reakcijos branduolinėse medžiagose yra intensyvios, o medžiagoms keliami griežti reikalavimai.Šiuo metu elektriniai reaktoriai daugiausia yra branduolio dalijimosi reaktoriai, o sintezės reaktoriai gali būti plačiai išpopuliarinti po 50 metų.Taikymasreta žemėelementai reaktoriaus konstrukcinėse medžiagose;Tam tikrose branduolinės chemijos srityse retųjų žemių elementai daugiausia naudojami valdymo strypuose;Papildomai,skandistaip pat buvo naudojamas radiochemijoje ir branduolinėje pramonėje.
(1) Kaip degūs nuodai arba valdymo strypas neutronų lygiui ir kritinei branduolinio reaktoriaus būsenai reguliuoti
Jėgos reaktoriuose pradinis liekamasis naujų branduolių reaktyvumas paprastai yra gana didelis.Ypač ankstyvose pirmojo degalų papildymo ciklo stadijose, kai visas branduolinis kuras yra naujas, likęs reaktyvumas yra didžiausias.Šiuo metu pasikliaujant vien didėjančiais valdymo strypais, siekiant kompensuoti likutinį reaktyvumą, atsirastų daugiau valdymo strypų.Kiekvienas valdymo strypas (arba strypų pluoštas) atitinka sudėtingo pavaros mechanizmo įvedimą.Viena vertus, tai padidina išlaidas, kita vertus, atidarius skyles slėginio indo galvutėje, gali sumažėti konstrukcijos stiprumas.Tai ne tik neekonomiška, bet ir neleidžiama turėti tam tikro slėginio indo galvutės poringumo ir konstrukcinio stiprumo.Tačiau nedidinant kontrolinių strypų, reikia padidinti cheminių kompensuojamųjų toksinų (pavyzdžiui, boro rūgšties) koncentraciją, kad kompensuotų likusį reaktyvumą.Tokiu atveju boro koncentracija gali lengvai viršyti slenkstį, o moderatoriaus temperatūros koeficientas taps teigiamas.
Siekiant išvengti pirmiau minėtų problemų, kontrolei paprastai galima naudoti degių toksinų, kontrolinių strypų ir cheminės kompensacijos kontrolės derinį.
(2) Kaip priedas, skirtas reaktoriaus konstrukcinių medžiagų veikimui pagerinti
Reaktoriai reikalauja, kad konstrukciniai komponentai ir kuro elementai būtų tam tikro stiprumo, atsparumo korozijai ir aukšto terminio stabilumo, o taip pat neleistų dalijimosi produktams patekti į aušinimo skystį.
1) .Retųjų žemių plienas
Branduolinis reaktorius pasižymi ekstremaliomis fizinėmis ir cheminėmis sąlygomis, o kiekvienam reaktoriaus komponentui taip pat keliami aukšti reikalavimai naudojamam specialiam plienui.Retųjų žemių elementai turi ypatingą plieno modifikavimo poveikį, daugiausia apimantį gryninimą, metamorfizmą, mikrolydymą ir atsparumo korozijai gerinimą.Plienas, kuriame yra retųjų žemių, taip pat plačiai naudojamas branduoliniuose reaktoriuose.
① Valymo efektas: Esami tyrimai parodė, kad retųjų žemių metalai turi gerą išlydyto plieno gryninimo poveikį aukštoje temperatūroje.Taip yra todėl, kad retųjų žemių metalai gali reaguoti su išlydytame pliene esančiais kenksmingais elementais, tokiais kaip deguonis ir siera, kad susidarytų aukštos temperatūros junginiai.Aukštos temperatūros junginiai gali būti nusodinami ir išleidžiami intarpų pavidalu, kol išlydytas plienas kondensuojasi, taip sumažinant priemaišų kiekį išlydytame pliene.
② Metamorfizmas: kita vertus, oksidai, sulfidai arba oksisulfidai, susidarantys retųjų žemių išlydytame pliene reaguojant su kenksmingais elementais, tokiais kaip deguonis ir siera, gali iš dalies pasilikti išlydytame pliene ir tapti aukštos lydymosi temperatūros plieno intarpais. .Šie intarpai gali būti naudojami kaip heterogeniniai branduolių susidarymo centrai išlydyto plieno kietėjimo metu, taip pagerinant plieno formą ir struktūrą.
③ Mikrolydymas: jei retųjų žemių kiekis dar labiau padidinamas, likęs retųjų žemių kiekis bus ištirpintas pliene, kai bus atliktas aukščiau aprašytas gryninimas ir metamorfizmas.Kadangi retųjų žemių atomų spindulys yra didesnis nei geležies atomo, retųjų žemių paviršiaus aktyvumas yra didesnis.Išlydyto plieno kietėjimo proceso metu retųjų žemių elementai yra praturtinami ties grūdelių riba, o tai gali geriau sumažinti priemaišų elementų atsiskyrimą prie grūdelių ribos, taip sustiprinant kietąjį tirpalą ir atliekant mikrolydinimo vaidmenį.Kita vertus, dėl retųjų žemių metalų vandenilio kaupimo savybių jie gali sugerti vandenilį pliene ir taip veiksmingai pagerinti plieno trapumo vandenilio reiškinį.
④ Atsparumo korozijai gerinimas: retųjų žemių elementų pridėjimas taip pat gali pagerinti plieno atsparumą korozijai.Taip yra todėl, kad retųjų žemių metalai turi didesnį savaiminės korozijos potencialą nei nerūdijantis plienas.Todėl retųjų žemių metalų pridėjimas gali padidinti nerūdijančio plieno savaiminės korozijos potencialą ir taip pagerinti plieno stabilumą korozinėje terpėje.
2).Pagrindinis patentų tyrimas
Pagrindinis patentas: oksido dispersija sustiprinto mažo aktyvumo plieno ir jo paruošimo metodo patentas, kurį išdavė Kinijos mokslų akademijos Metalų institutas
Patento santrauka: Pateikiamas oksido dispersija sustiprintas žemos aktyvacijos plienas, tinkamas sintezės reaktoriams ir jo paruošimo būdas, pasižymintis tuo, kad legiruotų elementų procentinė dalis bendroje mažo aktyvumo 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 ≤ O ≤ 0,2 % ir 0,2 % 0,5 % .
Gamybos procesas: Fe-Cr-WV-Ta-Mn pagrindinio lydinio lydymas, miltelių purškimas, didelės energijos pagrindinio lydinio rutulinis frezavimas irY2O3 nanodalelėmišrūs milteliai, miltelių apvalkalo ekstrahavimas, kietėjimo formavimas, karštas valcavimas ir terminis apdorojimas.
Retųjų žemių pridėjimo metodas: pridėkite nanoskaląY2O3dalelės į pagrindinio lydinio purškiamus miltelius, skirtus didelės energijos rutuliniam frezavimui, kai rutulinio frezavimo terpė yra Φ 6 ir Φ 10 mišrių kietų plieno rutulių, kurių rutulinio frezavimo atmosfera sudaro 99,99 % argono dujų, rutulinės medžiagos masės santykis (8- 10): 1, rutulinio frezavimo laikas 40-70 valandų ir sukimosi greitis 350-500 aps./min.
3) Naudojamas neutronų spinduliuotės apsaugos medžiagoms gaminti
① Apsaugos nuo neutronų spinduliuotės principas
Neutronai yra atominių branduolių komponentai, kurių statinė masė yra 1,675 × 10–27 kg, o tai yra 1838 kartus didesnė už elektroninę masę.Jo spindulys yra maždaug 0,8 × 10–15 m, dydžiu panašus į protoną, panašus į γ Spinduliai yra vienodai neįkrauti.Kai neutronai sąveikauja su medžiaga, jie daugiausia sąveikauja su branduolio viduje esančiomis branduolinėmis jėgomis ir nesąveikauja su išoriniame apvalkale esančiais elektronais.
Sparčiai tobulėjant branduolinei energetikai ir branduolinių reaktorių technologijoms, vis daugiau dėmesio skiriama branduolinei radiacinei saugai ir branduolinei radiacinei saugai.Siekiant sustiprinti radiacinę apsaugą operatoriams, kurie ilgą laiką užsiima radiacinės įrangos priežiūra ir gelbėjimu nuo nelaimingų atsitikimų, didelę mokslinę reikšmę ir ekonominę vertę turi sukurti lengvi apsauginiai aprangos kompozitai.Neutronų spinduliuotė yra svarbiausia branduolinio reaktoriaus spinduliuotės dalis.Paprastai dauguma neutronų, kurie tiesiogiai liečiasi su žmonėmis, buvo sulėtinti iki mažos energijos neutronų po branduolinio reaktoriaus viduje esančių konstrukcinių medžiagų neutronų ekranavimo efekto.Mažos energijos neutronai tampriai susidurs su mažesnio atominio skaičiaus branduoliais ir toliau bus reguliuojami.Sureguliuotus šiluminius neutronus sugers didesnio neutronų sugerties skerspjūvių elementai ir galiausiai bus pasiektas neutronų ekranavimas.
② Pagrindinis patentų tyrimas
Porėtos ir organinės-neorganinės hibridinės savybėsretųjų žemių elementasgadolinioMetalinės organinės karkaso medžiagos padidina jų suderinamumą su polietilenu, todėl susintetintose kompozitinėse medžiagose gadolinio kiekis ir gadolinio dispersija padidėja.Didelis gadolinio kiekis ir dispersija tiesiogiai paveiks kompozitinių medžiagų neutronų ekranavimo savybes.
Pagrindinis patentas: Kinijos mokslų akademijos Hefėjaus medžiagų mokslo institutas, gadolinio pagrindo organinės karkaso kompozitinės apsauginės medžiagos išradimo patentas ir jos paruošimo būdas
Patento santrauka: Gadolinio pagrindo metalo organinio skeleto kompozitinė ekranavimo medžiaga yra kompozicinė medžiaga, susidaranti maišantgadoliniopagrindo metalo organinės karkaso medžiaga su polietilenu masės santykiu 2:1:10 ir formuojant ją tirpiklio garinimo arba karšto presavimo būdu.Gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso kompozitinės ekranavimo medžiagos pasižymi dideliu šiluminiu stabilumu ir šiluminio neutronų ekranavimo savybėmis.
Gamybos procesas: pasirenkamas skirtingasgadolinio metalasdruskos ir organiniai ligandai, skirti paruošti ir sintetinti įvairių tipų gadolinio pagrindo metalo organines karkasines medžiagas, plaunant jas mažomis metanolio, etanolio ar vandens molekulėmis centrifuguojant ir aktyvinant aukštoje temperatūroje vakuumo sąlygomis, kad būtų visiškai pašalintos nesureagavusios žaliavos. gadolinio pagrindo metalinių organinių skeleto medžiagų porose;Etape paruošta organometalinė karkaso medžiaga gadolinio pagrindu maišoma su polietileno losjonu dideliu greičiu arba ultragarsu, arba gadolinio pagrindu pagaminta organometalinė karkaso medžiaga aukštoje temperatūroje išlydoma su itin didelės molekulinės masės polietilenu, kol visiškai susimaišo;Tolygiai sumaišytą gadolinio metalo organinio karkaso medžiagos/polietileno mišinį įdėkite į formą ir gaukite susidariusią gadolinio pagrindo metalo organinio karkaso kompozitinę apsauginę medžiagą džiovindami, kad būtų skatinamas tirpiklio išgaravimas arba karštas presavimas;Pagaminta gadolinio pagrindu pagaminta metalo organinio karkaso kompozitinė ekranavimo medžiaga, palyginti su gryno polietileno medžiagomis, žymiai pagerino atsparumą karščiui, mechanines savybes ir geresnę šiluminio neutronų ekranavimo savybę.
Retųjų žemių pridėjimo režimas: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 arba Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 akytas kristalinis koordinacinis polimeras, kuriame yra gadolinio, kuris gaunamas koordinacinės polimerizacijos būdu.Gd (NO3) 3 • 6H2O arba GdCl3 • 6H2Oir organinio karboksilato ligando;Gadolinio metalo organinės skeleto medžiagos dydis yra 50 nm–2 μm； Gadolinio pagrindu pagamintos metalinės organinės skeleto medžiagos turi skirtingą morfologiją, įskaitant granulių, lazdelių ar adatos formas.
(4) TaikymasSkandisradiochemijoje ir branduolinėje pramonėje
Skandio metalas pasižymi geru šiluminiu stabilumu ir stipriu fluoro sugerties rodikliu, todėl jis yra nepakeičiama medžiaga atominės energijos pramonėje.
Pagrindinis patentas: Kinijos aeronautikos plėtros Pekino aeronautikos medžiagų institutas, aliuminio cinko magnio skandžio lydinio išradimo patentas ir jo paruošimo būdas
Patento santrauka: aliuminio cinkasmagnio skandžio lydinysir jo paruošimo būdas.Aliuminio cinko ir magnio skandžio lydinio cheminė sudėtis ir masės procentas 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 likęs kiekis yra Al.Šios aliuminio cinko ir magnio skandžio lydinio medžiagos mikrostruktūra yra vienoda, o jos eksploatacinės savybės yra stabilios, jos didžiausias tempiamasis stipris yra didesnis nei 400 MPa, takumo riba viršija 350 MPa, o suvirintų jungčių tempiamasis stipris yra didesnis nei 370 MPa.Medžiagos gaminiai gali būti naudojami kaip konstrukciniai elementai aviacijos, branduolinės pramonės, transporto, sporto prekių, ginklų ir kitose srityse.
Gamybos procesas: 1 žingsnis, ingredientas pagal aukščiau pateiktą lydinio sudėtį;2 veiksmas: išlydyti lydymo krosnyje 700 ℃ ~ 780 ℃ temperatūroje;3 veiksmas: rafinuokite visiškai ištirpusį metalo skystį ir rafinavimo metu palaikykite metalo temperatūrą 700 ℃ ~ 750 ℃ diapazone;4 veiksmas: po rafinavimo jam reikia visiškai leisti stovėti;5 veiksmas: visiškai atsistoję, pradėkite liejimą, palaikykite krosnies temperatūrą 690 ℃ ~ 730 ℃ diapazone, o liejimo greitis yra 15-200 mm / min.;6 veiksmas: kaitinimo krosnyje atlikite lydinio luito homogenizavimo atkaitinimo apdorojimą, kai homogenizacijos temperatūra yra 400 ℃ ~ 470 ℃;7 veiksmas: Nulupkite homogenizuotą luitą ir atlikite karštą ekstruziją, kad gautumėte profilius, kurių sienelių storis didesnis nei 2,0 mm.Ekstruzijos proceso metu ruošinio temperatūra turi būti nuo 350 ℃ iki 410 ℃;8 veiksmas: išspauskite profilį tirpalui gesinti, kai tirpalo temperatūra yra 460–480 ℃;9 veiksmas: po 72 valandų gesinimo kietu tirpalu rankiniu būdu priverskite sendinti.Rankinio priverstinio senėjimo sistema yra: 90 ~ 110 ℃ / 24 valandos + 170 ~ 180 ℃ / 5 valandos arba 90 ~ 110 ℃ / 24 valandos + 145 ~ 155 ℃ / 10 valandų.
5. Tyrimo santrauka
Apskritai retųjų žemių metalai yra plačiai naudojami branduolių sintezei ir branduolių dalijimuisi ir turi daug patentuotų išdėstymų tokiomis techninėmis kryptimis kaip rentgeno sužadinimas, plazmos formavimas, lengvojo vandens reaktorius, transurano, uranilo ir oksido milteliai.Kalbant apie reaktorių medžiagas, retųjų žemių metalai gali būti naudojami kaip reaktoriaus konstrukcinės medžiagos ir susijusios keraminės izoliacinės medžiagos, kontrolinės medžiagos ir apsaugos nuo neutroninės spinduliuotės medžiagos.
Paskelbimo laikas: 2023-05-26