Retzemju elementu pielietojums kodolmateriālos

1. Kodolmateriālu definīcija

Plašā nozīmē kodolmateriāli ir vispārīgs termins materiāliem, ko izmanto tikai kodolrūpniecībā un kodolzinātniskajā pētniecībā, tostarp kodoldegvielu un kodolinženiertehniskos materiālus, ti, materiālus, kas nav kodoldegvielas materiāli.

Parasti minētie kodolmateriāli galvenokārt attiecas uz materiāliem, ko izmanto dažādās reaktora daļās, kas pazīstami arī kā reaktora materiāli.Reaktora materiāli ietver kodoldegvielu, kas tiek pakļauta kodola skaldīšanai neitronu bombardēšanas laikā, kodoldegvielas komponentu apšuvuma materiāli, dzesēšanas šķidrumi, neitronu moderatori (moderatori), vadības stieņu materiāli, kas spēcīgi absorbē neitronus, un atstarojoši materiāli, kas novērš neitronu noplūdi ārpus reaktora.

2. Līdzās saistītās attiecības starp retzemju resursiem un kodolresursiem

Monazīts, saukts arī par fosfocerītu un fosfocerītu, ir izplatīts palīgminerāls vidēji skābā magmatisko iežu un metamorfo iežu sastāvā.Monazīts ir viens no galvenajiem retzemju metālu rūdas minerāliem, un tas pastāv arī dažos nogulumiežu iežos.Brūngani sarkana, dzeltena, dažreiz brūngani dzeltena, ar taukainu spīdumu, pilnīgu šķelšanos, Mosa cietību 5-5,5 un īpatnējo svaru 4,9-5,5.

Galvenais rūdas minerāls dažās placer tipa retzemju atradnēs Ķīnā ir monacīts, kas galvenokārt atrodas Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan un He County, Guangxi.Tomēr placer tipa retzemju resursu ieguvei bieži vien nav ekonomiskas nozīmes.Vientuļie akmeņi bieži satur refleksīvus torija elementus un ir arī galvenais komerciālā plutonija avots.

3 、 Pārskats par retzemju pielietojumu kodolsintēzē un kodola skaldīšanā, pamatojoties uz patentu panorāmas analīzi

Pēc tam, kad retzemju meklēšanas elementu atslēgvārdi ir pilnībā izvērsti, tie tiek apvienoti ar kodola skaldīšanas un kodolsintēzes paplašināšanas atslēgām un klasifikācijas numuriem un tiek meklēti datubāzē Incopt.Meklēšanas datums ir 2020. gada 24. augusts. 4837 patenti tika iegūti pēc vienkāršas ģimeņu apvienošanas, bet 4673 patenti tika noteikti pēc mākslīgās trokšņa samazināšanas.

Retzemju patentu pieteikumi kodola skaldīšanas vai kodolsintēzes jomā ir izplatīti 56 valstīs/reģionos, galvenokārt Japānā, Ķīnā, ASV, Vācijā un Krievijā utt. Ievērojams skaits patentu tiek piemēroti PCT formā. , no kuriem Ķīnas patentu tehnoloģiju pieteikumi ir palielinājušies, īpaši kopš 2009. gada, ieejot straujā izaugsmes posmā, un Japāna, ASV un Krievija ir turpinājušas izkārtot šajā jomā daudzus gadus (1. attēls).

attēls

No tehnisko tēmu analīzes redzams, ka retzemju pielietojums kodolsintēzes un kodola skaldīšanas procesā ir vērsts uz degvielas elementiem, scintilatoriem, radiācijas detektoriem, aktinīdiem, plazmām, kodolreaktoriem, aizsargmateriāliem, neitronu absorbciju un citiem tehniskajiem virzieniem.

4. Kodolmateriālos sastopamo retzemju elementu specifiski pielietojumi un galvenie patentu pētījumi

Tostarp kodolsintēzes un kodola skaldīšanas reakcijas kodolmateriālos ir intensīvas, un materiāliem ir stingras prasības.Pašlaik jaudas reaktori galvenokārt ir kodola skaldīšanas reaktori, un kodolsintēzes reaktori var tikt plaši popularizēti pēc 50 gadiem.Piemērošanaretzemju zemeelementi reaktora konstrukcijas materiālos;Īpašās kodolķīmiskās jomās retzemju elementus galvenokārt izmanto vadības stieņos;Papildus,skandijsir izmantots arī radioķīmijā un kodolrūpniecībā.

(1) Kā degoša inde vai vadības stienis, lai pielāgotu neitronu līmeni un kodolreaktora kritisko stāvokli

Jaudas reaktoros jauno serdeņu sākotnējā atlikušā reaktivitāte parasti ir salīdzinoši augsta.Īpaši pirmā degvielas uzpildes cikla sākumposmā, kad visa kodoldegviela kodolā ir jauna, atlikušā reaktivitāte ir visaugstākā.Šajā brīdī, paļaujoties tikai uz pieaugošiem vadības stieņiem, lai kompensētu atlikušo reaktivitāti, tiktu ieviests vairāk vadības stieņu.Katrs vadības stienis (vai stieņu saišķis) atbilst sarežģīta piedziņas mehānisma ieviešanai.No vienas puses, tas palielina izmaksas, un, no otras puses, atveru atvēršana spiedtvertnes galvā var izraisīt konstrukcijas stiprības samazināšanos.Tas ir ne tikai neekonomisks, bet arī nav pieļaujams, ka spiedtvertnes galvai ir noteikta porainība un konstrukcijas izturība.Tomēr, nepalielinot kontroles stieņus, ir jāpalielina ķīmiski kompensējošo toksīnu (piemēram, borskābes) koncentrācija, lai kompensētu atlikušo reaktivitāti.Šajā gadījumā bora koncentrācija var viegli pārsniegt slieksni, un moderatora temperatūras koeficients kļūs pozitīvs.

Lai izvairītos no iepriekšminētajām problēmām, kontrolei parasti var izmantot degošu toksīnu, kontroles stieņu un ķīmiskās kompensācijas kontroles kombināciju.

(2) Kā piedevas reaktora strukturālo materiālu veiktspējas uzlabošanai

Reaktoriem ir nepieciešams, lai konstrukcijas komponentiem un degvielas elementiem būtu noteikts izturības līmenis, izturība pret koroziju un augsta termiskā stabilitāte, vienlaikus novēršot dalīšanās produktu iekļūšanu dzesēšanas šķidrumā.

1) .Retzemju tērauds

Kodolreaktorā ir ekstrēmi fizikāli un ķīmiski apstākļi, un katrai reaktora sastāvdaļai ir arī augstas prasības pret izmantoto speciālo tēraudu.Retzemju elementiem ir īpaša modifikācijas ietekme uz tēraudu, galvenokārt ietverot attīrīšanu, metamorfismu, mikrosakausējumu un korozijas izturības uzlabošanu.Retzemju tēraudus plaši izmanto arī kodolreaktoros.

① Attīrīšanas efekts: esošie pētījumi ir parādījuši, ka retzemju metāliem ir laba attīrošā iedarbība uz kausētu tēraudu augstā temperatūrā.Tas ir tāpēc, ka retzemju metāli var reaģēt ar kaitīgiem elementiem, piemēram, skābekli un sēru izkausētajā tēraudā, veidojot augstas temperatūras savienojumus.Augstas temperatūras savienojumus var nogulsnēt un izvadīt ieslēgumu veidā, pirms kausētais tērauds kondensējas, tādējādi samazinot piemaisījumu saturu izkausētajā tēraudā.

② Metamorfisms: no otras puses, oksīdi, sulfīdi vai oksisulfīdi, kas rodas izkausētā tērauda retzemju reakcijā ar kaitīgiem elementiem, piemēram, skābekli un sēru, var daļēji saglabāties izkausētajā tēraudā un kļūt par tērauda ieslēgumiem ar augstu kušanas temperatūru. .Šos ieslēgumus var izmantot kā neviendabīgus nukleācijas centrus izkausētā tērauda sacietēšanas laikā, tādējādi uzlabojot tērauda formu un struktūru.

③ Mikrosakausēšana: ja retzemju metālu pievienošana tiek vēl vairāk palielināta, atlikušais retzemju metāls tiks izšķīdināts tēraudā pēc iepriekš minētās attīrīšanas un metamorfizācijas pabeigšanas.Tā kā retzemju atomu rādiuss ir lielāks nekā dzelzs atomam, retzemju zemes virsmas aktivitāte ir augstāka.Kausēta tērauda sacietēšanas procesā pie graudu robežas tiek bagātināti retzemju elementi, kas var labāk samazināt piemaisījumu elementu segregāciju uz graudu robežas, tādējādi nostiprinot cieto šķīdumu un spēlējot mikrosakausēšanas lomu.No otras puses, retzemju metālu ūdeņraža uzglabāšanas īpašību dēļ tie var absorbēt ūdeņradi tēraudā, tādējādi efektīvi uzlabojot tērauda ūdeņraža trauslumu.

④ Korozijas izturības uzlabošana: retzemju elementu pievienošana var arī uzlabot tērauda izturību pret koroziju.Tas ir tāpēc, ka retzemju metāliem ir augstāks paškorozijas potenciāls nekā nerūsējošajam tēraudam.Tāpēc retzemju metālu pievienošana var palielināt nerūsējošā tērauda paškorozijas potenciālu, tādējādi uzlabojot tērauda stabilitāti korozīvā vidē.

2).Galvenais patentu pētījums

Galvenais patents: Ķīnas Zinātņu akadēmijas Metālu institūta izgudrojuma patents ar oksīdu dispersiju stiprinātam zemas aktivācijas tēraudam un tā sagatavošanas metodei

Patenta kopsavilkums: tiek nodrošināts ar oksīdu dispersiju stiprināts zemas aktivācijas tērauds, kas piemērots kodolsintēzes reaktoriem un tā sagatavošanas metode, kas raksturīgs ar to, ka sakausējuma elementu procentuālais daudzums zemas aktivācijas tērauda kopējā masā ir: matrica ir 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 ≤ 0,5% un ≤ 0,6%, 0,5% .

Ražošanas process: Fe-Cr-WV-Ta-Mn mātes sakausējuma kausēšana, pulvera izsmidzināšana, lielas enerģijas bāzes sakausējuma lodveida frēzēšana unY2O3 nanodaļiņajaukts pulveris, pulvera apvalka ekstrakcija, cietināšanas formēšana, karstā velmēšana un termiskā apstrāde.

Retzemju pievienošanas metode: pievienojiet nanomēroguY2O3daļiņas uz pamatsakausējuma pulverizētu pulveri lielas enerģijas lodīšu frēzēšanai, kur lodīšu frēzēšanas vide ir Φ 6 un Φ 10 jauktas cietas tērauda lodes, ar lodīšu frēzēšanas atmosfēru 99,99% argona gāzes, lodīšu materiāla masas attiecību (8- 10): 1, lodīšu frēzēšanas laiks ir 40–70 stundas un griešanās ātrums ir 350–500 apgr./min.

3) Izmanto neitronu starojuma aizsardzības materiālu izgatavošanai

① Neitronu starojuma aizsardzības princips

Neitroni ir atomu kodolu sastāvdaļas, kuru statiskā masa ir 1,675 × 10–27 kg, kas ir 1838 reizes lielāka par elektronisko masu.Tā rādiuss ir aptuveni 0,8 × 10–15 m, pēc izmēra līdzīgs protonam, līdzīgs γ Stari ir vienādi neuzlādēti.Kad neitroni mijiedarbojas ar vielu, tie galvenokārt mijiedarbojas ar kodolspēkiem kodolā, nevis mijiedarbojas ar ārējā apvalka elektroniem.

Strauji attīstoties kodolenerģijai un kodolreaktoru tehnoloģijai, arvien lielāka uzmanība tiek pievērsta kodolradiācijas drošībai un aizsardzībai pret kodolradiāciju.Lai pastiprinātu aizsardzību pret radiāciju operatoriem, kuri ilgstoši nodarbojas ar radiācijas iekārtu apkopi un avāriju glābšanu, ir liela zinātniskā nozīme un ekonomiska vērtība aizsargapģērba vieglo aizsargkompozītmateriālu izstrādei.Neitronu starojums ir vissvarīgākā kodolreaktora starojuma daļa.Parasti lielākā daļa neitronu, kas ir tiešā saskarē ar cilvēkiem, ir palēnināti līdz zemas enerģijas neitroniem pēc kodolreaktorā esošo strukturālo materiālu neitronu ekranēšanas efekta.Zemas enerģijas neitroni elastīgi saduras ar kodoliem ar mazāku atomu skaitu un turpināsies mērenībā.Moderētos termiskos neitronus absorbēs elementi ar lielākiem neitronu absorbcijas šķērsgriezumiem, un visbeidzot tiks panākta neitronu ekranēšana.

② Galvenais patentu pētījums

Porainās un organiski neorganiskās hibrīda īpašībasretzemju elementsgadolīnijsMetāla organiskā karkasa materiāli palielina to savietojamību ar polietilēnu, veicinot sintezēto kompozītmateriālu lielāku gadolīnija saturu un gadolīnija dispersiju.Augstais gadolīnija saturs un dispersija tieši ietekmēs kompozītmateriālu neitronu ekranēšanas veiktspēju.

Galvenais patents: Ķīnas Zinātņu akadēmijas Hefei Materiālzinātņu institūts, gadolīnija bāzes organiskā karkasa kompozīta aizsargmateriāla izgudrojuma patents un tā sagatavošanas metode

Patenta kopsavilkums: Metāla organiskā skeleta kompozītmateriāls uz gadolīnija bāzes ir kompozītmateriāls, kas izveidots, sajaucotgadolīnijsmetāla organiskā karkasa materiāls ar polietilēnu svara attiecībā 2:1:10 un veidojot to ar šķīdinātāja iztvaicēšanu vai karsto presēšanu.Metāla organiskā karkasa kompozītmateriāliem uz gadolīnija bāzes ir augsta termiskā stabilitāte un termiskā neitronu ekranēšanas spēja.

Ražošanas process: dažādu izvēlegadolīnija metālssāļus un organiskos ligandus, lai sagatavotu un sintezētu dažāda veida metālu organiskos skeleta materiālus uz gadolīnija bāzes, centrifugējot tos ar mazām metanola, etanola vai ūdens molekulām un aktivizējot augstā temperatūrā vakuuma apstākļos, lai pilnībā noņemtu atlikušās nereaģējušās izejvielas. gadolīnija bāzes metāla organisko skeleta materiālu porās;Solī sagatavoto metālorganisko karkasa materiālu uz gadolīnija bāzes maisa ar polietilēna losjonu lielā ātrumā vai ar ultraskaņu, vai solī sagatavoto metālorganisko skeleta materiālu uz gadolīnija bāzes augstā temperatūrā sajauc ar īpaši augstas molekulmasas polietilēnu, līdz tas ir pilnībā sajaukts;Ievietojiet veidnē vienmērīgi sajauktu uz gadolīniju balstītu metāla organisko skeleta materiālu/polietilēna maisījumu un iegūstiet izveidoto uz gadolīnija bāzes veidoto metāla organiskā karkasa kompozītmateriālu, žāvējot, lai veicinātu šķīdinātāja iztvaikošanu vai karsto presēšanu;Sagatavotajam gadolīnija bāzes metāla organiskā karkasa kompozītmateriālam ir ievērojami uzlabota karstumizturība, mehāniskās īpašības un augstāka termiskā neitronu ekranēšanas spēja salīdzinājumā ar tīra polietilēna materiāliem.

Retzemju pievienošanas režīms: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 vai Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porains kristālisks koordinācijas polimērs, kas satur gadolīniju, ko iegūst koordinācijas polimerizācijas ceļāGd (NO3) 3 • 6H2O vai GdCl3 • 6H2Oun organiskā karboksilāta ligands;Metāla organiskā skeleta materiāla izmērs uz gadolīnija bāzes ir 50 nm-2 μm； Gadolīnija bāzes metāla organiskajiem skeleta materiāliem ir dažādas morfoloģijas, tostarp granulas, stieņa formas vai adatas formas.

(4) PiemērošanaSkandijsradioķīmijā un kodolrūpniecībā

Skandija metālam ir laba termiskā stabilitāte un spēcīga fluora absorbcijas spēja, kas padara to par neaizstājamu materiālu atomenerģijas nozarē.

Galvenais patents: Ķīnas Aviācijas un kosmosa attīstības Pekinas Aeronavigācijas materiālu institūts, alumīnija cinka magnija skandija sakausējuma izgudrojuma patents un tā sagatavošanas metode

Patenta kopsavilkums: alumīnija cinksmagnija skandija sakausējumsun tā sagatavošanas metode.Alumīnija cinka magnija skandija sakausējuma ķīmiskais sastāvs un svara procentuālais daudzums ir: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, piemaisījumi Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, citi piemaisījumi atsevišķi ≤ 0,05%, citi piemaisījumi kopā ≤ 0,15%, un atlikušais daudzums ir Al.Šī alumīnija cinka magnija skandija sakausējuma materiāla mikrostruktūra ir viendabīga, un tā veiktspēja ir stabila, ar maksimālo stiepes izturību virs 400 MPa, tecēšanas robežu virs 350 MPa un metināto savienojumu stiepes izturību virs 370 MPa.Materiālos izstrādājumus var izmantot kā strukturālus elementus kosmosa, kodolrūpniecības, transporta, sporta preču, ieroču un citās jomās.

Ražošanas process: 1. solis, sastāvdaļa atbilstoši iepriekš minētajam sakausējuma sastāvam;2. solis: izkausēt kausēšanas krāsnī 700 ℃ ~ 780 ℃ temperatūrā;3. darbība: rafinējiet pilnībā izkusušo metāla šķidrumu un rafinēšanas laikā uzturiet metāla temperatūru diapazonā no 700 ℃ ~ 750 ℃;4. solis: pēc rafinēšanas tai pilnībā jāļauj nostāvēties;5. darbība: pēc pilnīgas stāvēšanas sāciet liešanu, saglabājiet krāsns temperatūru diapazonā no 690 ℃ ~ 730 ℃, un liešanas ātrums ir 15-200 mm / minūtē;6. darbība: veiciet sakausējuma lietņa homogenizācijas atkausēšanas apstrādi karsēšanas krāsnī ar homogenizācijas temperatūru 400 ℃ ~ 470 ℃;7. darbība. Noņemiet homogenizēto stieņu un veiciet karsto ekstrūzijas metodi, lai izveidotu profilus, kuru sieniņu biezums pārsniedz 2,0 mm.Ekstrūzijas procesa laikā sagataves temperatūra jāuztur no 350 ℃ līdz 410 ℃;8. darbība: saspiediet profilu šķīduma dzēšanas apstrādei ar šķīduma temperatūru 460-480 ℃;9. darbība. Pēc 72 stundu dzēšanas cietā šķīdumā manuāli piespiediet novecošanu.Manuālā spēka novecošanas sistēma ir: 90 ~ 110 ℃/24 stundas + 170 ~ 180 ℃/5 stundas vai 90 ~ 110 ℃/24 stundas + 145 ~ 155 ℃/10 stundas.

5. Pētījuma kopsavilkums

Kopumā retzemju metālus plaši izmanto kodolsintēzē un kodola skaldīšanā, un tiem ir daudz patentētu izkārtojumu tādos tehniskajos virzienos kā rentgenstaru ierosme, plazmas veidošanās, vieglā ūdens reaktors, transurāna, uranila un oksīda pulveris.Kas attiecas uz reaktora materiāliem, retzemju metālus var izmantot kā reaktora konstrukcijas materiālus un saistītos keramikas izolācijas materiālus, kontroles materiālus un neitronu starojuma aizsardzības materiālus.