Applicazione di elementi di terre rare nei materiali nucleari

1 、 Definizione di materiali nucleari

In senso lato, il materiale nucleare è il termine generale per i materiali utilizzati esclusivamente nell'industria nucleare e nella ricerca scientifica nucleare, compresi i materiali di ingegneria nucleare e di ingegneria nucleare.

I materiali nucleari comunemente riferiti si riferiscono principalmente ai materiali utilizzati in varie parti del reattore, note anche come materiali del reattore. I materiali del reattore includono combustibile nucleare che subisce una fissione nucleare sotto bombardamento di neutroni, materiali di rivestimento per componenti di combustibile nucleare, refrigeranti, moderatori di neutroni (moderatori), materiali di controllo dell'asta che assorbono fortemente i neutroni e materiali riflettenti che prevengono perdite di neutroni al di fuori del reattore.

2 、 CO Rapporto associato tra risorse delle terre rare e risorse nucleari

La monazite, chiamata anche fosfocerite e fosfocerite, è un minerale accessorio comune nella roccia ignea acida intermedia e nella roccia metamorfica. La monazite è uno dei principali minerali del minerale di metallo raro ed esiste anche in una roccia sedimentaria. Rosso brunastro, giallo, a volte marrone, con una lucentezza grassa, scissione completa, durezza MOHS di 5-5,5 e gravità specifica di 4,9-5,5.

Il principale minerale di minerale di alcuni depositi di terre rare in Cina è la monazite, situata principalmente a Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan e la contea, Guangxi. Tuttavia, l'estrazione delle risorse della Terra rara del tipo Placer spesso non ha un significato economico. Le pietre solitarie contengono spesso elementi di torio riflessivi e sono anche la principale fonte di plutonio commerciale.

3 、 Panoramica dell'applicazione delle terre rare in fusione nucleare e fissione nucleare basata sull'analisi panoramica del brevetto

Dopo che le parole chiave degli elementi di ricerca delle terre rare sono completamente ampliate, sono combinate con le chiavi di espansione e il numero di classificazione di fissione nucleare e fusione nucleare e cercate nel database INCOPT. La data di ricerca è il 24 agosto 2020. 4837 I brevetti sono stati ottenuti dopo una semplice fusione di famiglia e 4673 brevetti sono stati determinati dopo la riduzione del rumore artificiale.

Le domande di brevetto di terre rare nel campo della fissione nucleare o della fusione nucleare sono distribuite in 56 paesi/regioni, principalmente concentrate in Giappone, Cina, Stati Uniti, Germania e Russia, ecc.

Figura 1 tendenza dell'applicazione dei brevetti tecnologici relativi all'applicazione delle terre rare nella fissione nucleare nucleare e nella fusione nucleare nei paesi/regioni

Dall'analisi dei temi tecnici si può vedere che l'applicazione della terra rara nella fusione nucleare e nella fissione nucleare si concentra su elementi del carburante, scintillatori, rilevatori di radiazioni, actinidi, plasma, reattori nucleari, materiali di schermatura, assorbimento dei neutroni e altre direzioni tecniche.

4 、 Applicazioni specifiche e ricerche di brevetto chiave degli elementi delle terre rare nei materiali nucleari

Tra questi, la fusione nucleare e le reazioni di fissione nucleare nei materiali nucleari sono intense e i requisiti per i materiali sono severi. Allo stato attuale, i reattori di potenza sono principalmente reattori di fissione nucleare e i reattori di fusione possono essere popolari su larga scala dopo 50 anni. L'applicazione diterra raraelementi nei materiali strutturali del reattore; In specifici campi chimici nucleari, gli elementi delle terre rare sono utilizzati principalmente nelle aste di controllo; Inoltre,Scandiumè stato utilizzato anche nella radiochemistica e nell'industria nucleare.

（1） come veleno o canna di controllo combustibili per regolare il livello di neutroni e lo stato critico del reattore nucleare

Nei reattori di potenza, la reattività residua iniziale dei nuovi nuclei è generalmente relativamente alta. Soprattutto nelle prime fasi del primo ciclo di rifornimento, quando tutto il combustibile nucleare nel nucleo è nuovo, la reattività rimanente è la più alta. A questo punto, fare affidamento esclusivamente sull'aumentare delle aste di controllo per compensare la reattività residua introdurrebbe più aste di controllo. Ogni canna di controllo (o bundle asta) corrisponde all'introduzione di un meccanismo di guida complesso. Da un lato, ciò aumenta i costi e, dall'altro, l'apertura dei fori nella testa del recipiente a pressione può portare a una diminuzione della resistenza strutturale. Non solo è antieconomico, ma non è nemmeno autorizzato ad avere una certa porosità e resistenza strutturale sulla testa del recipiente a pressione. Tuttavia, senza aumentare le aste di controllo, è necessario aumentare la concentrazione di tossine di compensazione chimica (come l'acido borico) per compensare la reattività rimanente. In questo caso, è facile per la concentrazione di boro superare la soglia e il coefficiente di temperatura del moderatore diventerà positivo.

Per evitare i problemi di cui sopra, una combinazione di tossine combustibili, aste di controllo e controllo della compensazione chimica può essere generalmente utilizzata per il controllo.

（2） come drogante per migliorare le prestazioni dei materiali strutturali del reattore

I reattori richiedono componenti strutturali ed elementi del carburante per avere un certo livello di resistenza, resistenza alla corrosione e elevata stabilità termica, impedendo al contempo ai prodotti di fissione di entrare nel liquido di raffreddamento.

1) .Rare Earth Steel

Il reattore nucleare ha condizioni fisiche e chimiche estreme e ogni componente del reattore ha anche requisiti elevati per l'acciaio speciale utilizzato. Gli elementi delle terre rare hanno effetti di modifica speciali sull'acciaio, principalmente tra cui purificazione, metamorfismo, microalloying e miglioramento della resistenza alla corrosione. Anche gli acciai contenenti terre rare sono ampiamente utilizzate nei reattori nucleari.

① Effetto di purificazione: la ricerca esistente ha dimostrato che le terre rare hanno un buon effetto di purificazione sull'acciaio fuso ad alte temperature. Questo perché le terre rare possono reagire con elementi dannosi come ossigeno e zolfo nell'acciaio fuso per generare composti ad alta temperatura. I composti ad alta temperatura possono essere precipitati e scaricati sotto forma di inclusioni prima che l'acciaio fuso condensa, riducendo così il contenuto di impurità nell'acciaio fuso.

② Metamorfismo: d'altra parte, gli ossidi, i solfuri o gli ossisolfuri generati dalla reazione della terra rara nell'acciaio fuso con elementi dannosi come ossigeno e zolfo possono essere parzialmente trattenuti nell'acciaio fuso e diventare inclusioni di acciaio con un elevato punto di fusione. Queste inclusioni possono essere utilizzate come centri di nucleazione eterogenei durante la solidificazione dell'acciaio fuso, migliorando così la forma e la struttura dell'acciaio.

③ Microalloying: se l'aggiunta di terre rare è ulteriormente aumentata, le restanti terre rare verranno sciolte nell'acciaio dopo che la purificazione e il metamorfismo di cui sopra saranno completate. Poiché il raggio atomico della terra rara è più grande di quello dell'atomo di ferro, la terra rara ha una maggiore attività superficiale. Durante il processo di solidificazione dell'acciaio fuso, gli elementi delle terre rare sono arricchiti al confine del grano, il che può ridurre meglio la segregazione degli elementi di impurità al confine del grano, rafforzando così la soluzione solida e svolgendo il ruolo del microalloying. D'altra parte, a causa delle caratteristiche di accumulo di idrogeno delle terre rare, possono assorbire l'idrogeno in acciaio, migliorando così efficacemente il fenomeno dell'acciaio di idrogeno.

④ Miglioramento della resistenza alla corrosione: l'aggiunta di elementi delle terre rare può anche migliorare la resistenza alla corrosione dell'acciaio. Questo perché le terre rare hanno un potenziale di corrosione auto più elevato rispetto all'acciaio inossidabile. Pertanto, l'aggiunta di terre rare può aumentare il potenziale di corrosione di sé dell'acciaio inossidabile, migliorando così la stabilità dell'acciaio nei mezzi corrosivi.

2). Studio chiave di brevetto

Brevetto chiave: brevetto di invenzione di una dispersione di ossido ha rafforzato l'acciaio a bassa attivazione e il suo metodo di preparazione dell'Istituto di metalli, Accademia cinese delle scienze

Abstract di brevetto: fornito è una dispersione di ossido rafforzata in acciaio a bassa attivazione adatto ai reattori di fusione e al suo metodo di preparazione, caratterizzato in quanto la percentuale di elementi in lega nella massa totale dell'acciaio a bassa attivazione è: la matrice è Fe, 0,08% ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ 1,55%, 0,1%, 0,1% ≤ TA ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%e 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Processo di produzione: Fe-Cr-WV-TA-MN Mother Leghering, atomizzazione delle polveri, fresatura a sfera ad alta energia della lega madre eNanoparticella Y2O3Polvere miscelata, estrazione avvolgente in polvere, modanatura di solidificazione, laminazione calda e trattamento termico.

Metodo di aggiunta della terra rara: aggiungi nanoscalaY2O3Particelle alla polvere atomizzata in lega genitore per fresatura a sfere ad alta energia, con il mezzo di fresatura a sfera di φ 6 e φ 10 sfere in acciaio duro misto, con un'atmosfera di macinazione a sfera del 99,99% di gas argon, un rapporto di massa del materiale a sfera di (8-10): 1, un tempo di fresatura a sfera di 40-70 ore e una velocità di rotazione di 350-500 R/min.

3）. Utilizzato per produrre materiali di protezione da radiazioni di neutroni

① Principio di protezione delle radiazioni di neutroni

I neutroni sono componenti dei nuclei atomici, con una massa statica di 1,675 × 10-27 kg, che è 1838 volte la massa elettronica. Il suo raggio è di circa 0,8 × 10-15 m, di dimensioni simili a un protone, simili ai raggi γ sono ugualmente non caricati. Quando i neutroni interagiscono con la materia, interagiscono principalmente con le forze nucleari all'interno del nucleo e non interagiscono con gli elettroni nel guscio esterno.

Con il rapido sviluppo di energia nucleare e tecnologia dei reattori nucleari, è stata prestata sempre più attenzione alla sicurezza delle radiazioni nucleari e alla protezione delle radiazioni nucleari. Al fine di rafforzare la protezione delle radiazioni per gli operatori che sono stati impegnati a lungo nella manutenzione delle attrezzature per radiazioni e al salvataggio di incidenti, è di grande significato scientifico e valore economico per sviluppare compositi di protezione leggeri per abbigliamento protettivo. Le radiazioni di neutroni sono la parte più importante delle radiazioni del reattore nucleare. In generale, la maggior parte dei neutroni a diretto contatto con gli esseri umani è stata rallentata a neutroni a bassa energia dopo l'effetto di schermatura dei neutroni dei materiali strutturali all'interno del reattore nucleare. I neutroni a bassa energia si scontreranno con nuclei con un numero atomico inferiore elasticamente e continueranno a essere moderati. I neutroni termici moderati saranno assorbiti da elementi con sezioni trasversali di assorbimento di neutroni più grandi e infine verrà raggiunta la schermatura dei neutroni.

② Studio di brevetto chiave

Le proprietà ibride porose e organiche inorganiche diElemento terrestre rareGadolinioI materiali di scheletro organico in metallo a base aumentano la loro compatibilità con il polietilene, promuovendo i materiali compositi sintetizzati per avere un contenuto di gadolinio più elevato e una dispersione di gadolinio. L'alto contenuto e dispersione di gadolinio influenzeranno direttamente le prestazioni di schermatura dei neutroni dei materiali compositi.

Brevetto chiave: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, Invenzione Brevetto di un materiale di schermatura composito organico a base di gadolinio e il suo metodo di preparazione

Abstract di brevetto: materiale di schermatura composito organico a base di metallo a base di gadolinio è un materiale composito formato dalla miscelazioneGadolinioMateriale scheletro organico in metallo a base di polietilene in un rapporto di peso di 2: 1: 10 e formandolo attraverso l'evaporazione del solvente o la pressione a caldo. I materiali di schermatura composita a base di scheletri organici a base di gadolinio hanno un'elevata stabilità termica e capacità di schermatura dei neutroni termici.

Processo di produzione: selezione di diversimetallo gadoliniosali e ligandi organici per preparare e sintetizzare diversi tipi di materiali di scheletro organico a base di metallo a base di gadolinio, lavarli con piccole molecole di metanolo, etanolo o acqua mediante centrifugazione e attivandoli ad alta temperatura in condizioni di vuoto per rimuovere completamente i materiali prima non reagiti residui nei materiali di scheleton a base di gadolinium; Il materiale di scheletro organometallico a base di gadolinio preparato in gradini è agitato con lozione in polietilene ad alta velocità, o ultrasuoni, o il materiale scheletro organometallico a base di gadolinio preparato in gradini è fondersi con polietilene a peso molecolare ultra-alto ad alta temperatura fino a quando non si miscela completamente miscelati; Posizionare il materiale scheletro organico in metallo a base di gadolinio uniformemente miscelato/miscela di polietilene nello stampo e ottenere il materiale di schermatura composito di scheletro organico a base di metallo a base di gadolinio Il materiale di schermatura composito organico a base di metallo a base di gadolinio preparato ha migliorato significativamente la resistenza al calore, le proprietà meccaniche e la capacità di schermatura dei neutroni termici superiori rispetto ai materiali di polietilene puri.

Modalità di addizione della terra rara: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 o GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Polimero di coordinazione cristallina porosa contenente gadolinio, che è ottenuto mediante polimerizzazione di coordinamento della polimerizzazione di coordinazioneGD (NO3) 3 • 6H2O o GDCL3 • 6H2Oe ligando carbossilato organico; La dimensione del materiale scheletro organico in metallo a base di gadolinio è di 50 nm-2 μ m ； materiali di scheletro organico a base di metallo a base di gadolinio hanno morfologie diverse, tra cui forme granulari, a forma di asta o a forma di ago.

（4） Applicazione diScandiumin radiochimica e industria nucleare

Il metallo di scandium ha una buona stabilità termica e forti prestazioni di assorbimento di fluoro, rendendolo un materiale indispensabile nel settore dell'energia atomica.

Brevetto chiave: Sviluppo aerospaziale cinese Beijing Institute of Aeronautical Materials, Invenzione Brevetto per una lega di scansium di magnesio di zinco in alluminio e il suo metodo di preparazione

Abstract di brevetto: uno zinco in alluminioMagnesio in lega di scansiume il suo metodo di preparazione. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0,15%e l'importo rimanente è al. La microstruttura di questo materiale in lega di scansium di magnesio di zinco in alluminio è uniforme e le sue prestazioni sono stabili, con una resistenza alla trazione definitiva di oltre 400 MPA, una resistenza alla snervamento di oltre 350 MPA e una resistenza alla trazione di oltre 370 MPA per le articolazioni saldate. I prodotti materiali possono essere utilizzati come elementi strutturali in aerospaziale, industria nucleare, trasporti, merci sportive, armi e altri campi.

Processo di produzione: passaggio 1, ingrediente secondo la composizione in lega sopra; Passaggio 2: sciogliersi nel forno di fusione a una temperatura di 700 ℃ ~ 780 ℃; Passaggio 3: perfezionare il liquido metallico completamente fuso e mantenere la temperatura del metallo nell'intervallo di 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante la raffinazione; Passaggio 4: dopo aver raffinato, dovrebbe essere completamente permesso di stare fermo; Passaggio 5: dopo essere completamente in piedi, iniziare a lanciare, mantenere la temperatura del forno all'interno dell'intervallo di 690 ℃ ~ 730 ℃ e la velocità di fusione è di 15-200 mm/minuto; Passaggio 6: eseguire il trattamento di ricottura dell'omogeneizzazione sul lingotto in lega nel forno di riscaldamento, con una temperatura di omogeneizzazione di 400 ℃ ~ 470 ℃; Passaggio 7: sbucciare il lingotto omogeneizzato ed eseguire estrusione calda per produrre profili con uno spessore della parete di oltre 2,0 mm. Durante il processo di estrusione, la billetta dovrebbe essere mantenuta a una temperatura da 350 ℃ a 410 ℃; Passaggio 8: spremere il profilo per il trattamento di tempra della soluzione, con una temperatura di soluzione di 460-480 ℃; Passaggio 9: dopo 72 ore di spegnimento della soluzione solida, forzare manualmente l'invecchiamento. Il sistema di invecchiamento della forza manuale è: 90 ~ 110 ℃/24 ore+170 ~ 180 ℃/5 ore o 90 ~ 110 ℃/24 ore+145 ~ 155 ℃/10 ore.

5 、 Riepilogo della ricerca

Nel complesso, le terre rare sono ampiamente utilizzate nella fusione nucleare e nella fissione nucleare e hanno molti layout di brevetti in direzioni tecniche come l'eccitazione a raggi X, la formazione del plasma, il reattore a acqua leggera, il transuranio, l'uranica e la polvere di ossido. Per quanto riguarda i materiali del reattore, le terre rare possono essere utilizzate come materiali strutturali del reattore e materiali isolanti ceramici correlati, materiali di controllo e materiali di protezione da radiazioni di neutroni.