Paglalapat ng Rare Earth Elements sa Nuclear Materials

1、 Kahulugan ng Nuclear Materials

Sa isang malawak na kahulugan, ang nuclear material ay ang pangkalahatang termino para sa mga materyales na eksklusibong ginagamit sa nuclear industry at nuclear scientific research, kabilang ang nuclear fuel at nuclear engineering na materyales, ibig sabihin, hindi nuclear fuel na materyales.

Ang karaniwang tinutukoy sa mga materyales na nuklear ay pangunahing tumutukoy sa mga materyales na ginagamit sa iba't ibang bahagi ng reaktor, na kilala rin bilang mga materyales ng reaktor. Ang mga materyales sa reactor ay kinabibilangan ng nuclear fuel na sumasailalim sa nuclear fission sa ilalim ng neutron bombardment, cladding materials para sa nuclear fuel components, coolant, neutron moderators (moderators), control rod materials na malakas na sumisipsip ng neutrons, at reflective materials na pumipigil sa neutron leakage sa labas ng reactor.

2、 Kaugnay na ugnayan sa pagitan ng mga mapagkukunan ng bihirang lupa at mga mapagkukunang nuklear

Ang Monazite, na tinatawag ding phosphocerite at phosphocerite, ay isang karaniwang accessory mineral sa intermediate acid igneous rock at metamorphic rock. Ang Monazite ay isa sa mga pangunahing mineral ng rare earth metal ore, at mayroon din sa ilang sedimentary rock. Brownish pula, dilaw, minsan brownish dilaw, na may mamantika na kinang, kumpletong cleavage, Mohs tigas ng 5-5.5, at tiyak na gravity ng 4.9-5.5.

Ang pangunahing mineral ng mineral ng ilang uri ng placer na rare earth na deposito sa China ay monazite, pangunahing matatagpuan sa Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, at He County, Guangxi. Gayunpaman, ang pagkuha ng placer type rare earth resources ay kadalasang walang pang-ekonomiyang kahalagahan. Ang mga nag-iisang bato ay kadalasang naglalaman ng mga reflexive na elemento ng thorium at ito rin ang pangunahing pinagmumulan ng komersyal na plutonium.

3、 Pangkalahatang-ideya ng rare earth application sa nuclear fusion at nuclear fission batay sa patent panoramic analysis

Matapos ganap na mapalawak ang mga keyword ng mga elemento ng paghahanap ng rare earth, pinagsama ang mga ito sa mga expansion key at mga numero ng pag-uuri ng nuclear fission at nuclear fusion, at hinanap sa database ng Incopt. Ang petsa ng paghahanap ay Agosto 24, 2020. 4837 patent ang nakuha pagkatapos ng simpleng pagsasanib ng pamilya, at 4673 patent ang natukoy pagkatapos ng artipisyal na pagbawas ng ingay.

Ang mga aplikasyon ng rare earth patent sa larangan ng nuclear fission o nuclear fusion ay ipinamamahagi sa 56 na bansa/rehiyon , pangunahing nakakonsentra sa Japan, China, United States, Germany at Russia, atbp. Malaking bilang ng mga patent ang inilapat sa anyo ng PCT , kung saan dumarami ang mga aplikasyon ng teknolohiyang patent ng Tsino, lalo na mula noong 2009, na pumapasok sa isang mabilis na yugto ng paglago, at ang Japan, Estados Unidos at Russia ay patuloy na nag-layout sa larangang ito para sa maraming taon (Larawan 1).

Figure 1 Trend ng aplikasyon ng mga patent ng teknolohiya na nauugnay sa paggamit ng rare earth sa nuclear nuclear fission at nuclear fusion sa mga bansa/rehiyon

Makikita mula sa pagsusuri ng mga teknikal na tema na ang paggamit ng rare earth sa nuclear fusion at nuclear fission ay nakatuon sa mga elemento ng gasolina, scintillator, radiation detector, actinides, plasmas, nuclear reactors, shielding materials, neutron absorption at iba pang teknikal na direksyon.

4、 Mga Tukoy na Aplikasyon at Pangunahing Patent na Pananaliksik ng Rare Earth Elements sa Nuclear Materials

Kabilang sa mga ito, ang nuclear fusion at nuclear fission reactions sa mga nuclear material ay matindi, at ang mga kinakailangan para sa mga materyales ay mahigpit. Sa kasalukuyan, ang mga power reactor ay pangunahing mga nuclear fission reactor, at ang mga fusion reactor ay maaaring maging popular sa malaking sukat pagkatapos ng 50 taon. Ang aplikasyon ngbihirang lupamga elemento sa mga materyales sa istruktura ng reaktor; Sa mga partikular na larangan ng kemikal na nuklear, ang mga bihirang elemento ng lupa ay pangunahing ginagamit sa mga control rod; Bilang karagdagan,scandiumay ginamit din sa radiochemistry at nuclear industry.

（1） Bilang nasusunog na lason o control rod upang ayusin ang antas ng neutron at kritikal na estado ng nuclear reactor

Sa mga power reactor, ang paunang natitirang reaktibiti ng mga bagong core ay karaniwang mataas. Lalo na sa mga unang yugto ng unang ikot ng refueling, kapag ang lahat ng nuclear fuel sa core ay bago, ang natitirang reaktibiti ay ang pinakamataas. Sa puntong ito, ang pag-asa lamang sa pagtaas ng mga control rod upang mabayaran ang natitirang reaktibidad ay magpapakilala ng higit pang mga control rod. Ang bawat control rod (o rod bundle) ay tumutugma sa pagpapakilala ng isang kumplikadong mekanismo sa pagmamaneho. Sa isang banda, pinapataas nito ang mga gastos, at sa kabilang banda, ang pagbubukas ng mga butas sa ulo ng pressure vessel ay maaaring humantong sa pagbaba sa lakas ng istruktura. Hindi lamang ito hindi matipid, ngunit hindi rin pinapayagan na magkaroon ng isang tiyak na halaga ng porosity at structural strength sa pressure vessel head. Gayunpaman, nang hindi nadaragdagan ang mga control rod, kinakailangan na dagdagan ang konsentrasyon ng mga kemikal na nagpapatumbas ng mga lason (tulad ng boric acid) upang mabayaran ang natitirang reaktibiti. Sa kasong ito, madali para sa konsentrasyon ng boron na lumampas sa threshold, at ang koepisyent ng temperatura ng moderator ay magiging positibo.

Upang maiwasan ang mga nabanggit na problema, ang kumbinasyon ng mga nasusunog na lason, control rod, at chemical compensation control ay karaniwang maaaring gamitin para sa kontrol.

（2） Bilang isang dopant upang mapahusay ang pagganap ng mga materyales sa istruktura ng reaktor

Ang mga reactor ay nangangailangan ng mga istrukturang bahagi at mga elemento ng gasolina upang magkaroon ng isang tiyak na antas ng lakas, paglaban sa kaagnasan, at mataas na thermal stability, habang pinipigilan din ang mga produkto ng fission na makapasok sa coolant.

1) .Rare earth steel

Ang nuclear reactor ay may matinding pisikal at kemikal na kondisyon, at ang bawat bahagi ng reaktor ay mayroon ding mataas na pangangailangan para sa espesyal na bakal na ginamit. Ang mga elemento ng rare earth ay may mga espesyal na epekto sa pagbabago sa bakal, pangunahin na kabilang ang purification, metamorphism, microalloying, at pagpapabuti ng corrosion resistance. Ang mga bihirang lupa na naglalaman ng mga bakal ay malawak ding ginagamit sa mga nuclear reactor.

① Epekto sa paglilinis: Ipinakita ng kasalukuyang pananaliksik na ang mga bihirang lupa ay may magandang epekto sa pagdalisay sa tinunaw na bakal sa mataas na temperatura. Ito ay dahil ang mga rare earth ay maaaring tumugon sa mga mapanganib na elemento tulad ng oxygen at sulfur sa tinunaw na bakal upang makabuo ng mga compound na may mataas na temperatura. Ang mga compound na may mataas na temperatura ay maaaring precipitated at discharged sa anyo ng mga inklusyon bago ang tunaw na bakal condenses, at sa gayon ay binabawasan ang karumihan na nilalaman sa tinunaw na bakal.

② Metamorphism: sa kabilang banda, ang mga oxide, sulfides o oxysulfides na nabuo sa pamamagitan ng reaksyon ng rare earth sa molten steel na may mga mapanganib na elemento tulad ng oxygen at sulfur ay maaaring bahagyang mapanatili sa tinunaw na bakal at maging mga inklusyon ng bakal na may mataas na punto ng pagkatunaw. . Ang mga inklusyon na ito ay maaaring gamitin bilang mga heterogenous nucleation center sa panahon ng solidification ng molten steel, kaya pagpapabuti ng hugis at istraktura ng bakal.

③ Microalloying: kung ang pagdaragdag ng rare earth ay tataas pa, ang natitirang rare earth ay malulusaw sa bakal pagkatapos makumpleto ang purification at metamorphism sa itaas. Dahil ang atomic radius ng rare earth ay mas malaki kaysa sa iron atom, ang rare earth ay may mas mataas na surface activity. Sa panahon ng proseso ng solidification ng tunaw na bakal, ang mga bihirang elemento ng lupa ay pinayaman sa hangganan ng butil, na maaaring mas mahusay na mabawasan ang paghihiwalay ng mga elemento ng karumihan sa hangganan ng butil, kaya nagpapalakas ng solidong solusyon at gumaganap ng papel ng microalloying. Sa kabilang banda, dahil sa mga katangian ng pag-iimbak ng hydrogen ng mga bihirang lupa, maaari silang sumipsip ng hydrogen sa bakal, sa gayon ay epektibong nagpapabuti sa hydrogen embrittlement phenomenon ng bakal.

④ Pagpapabuti ng resistensya ng kaagnasan: Ang pagdaragdag ng mga elemento ng bihirang lupa ay maaari ring mapabuti ang resistensya ng kaagnasan ng bakal. Ito ay dahil ang mga bihirang lupa ay may mas mataas na potensyal na kaagnasan sa sarili kaysa sa hindi kinakalawang na asero. Samakatuwid, ang pagdaragdag ng mga bihirang lupa ay maaaring tumaas ang potensyal na kaagnasan sa sarili ng hindi kinakalawang na asero, sa gayon ay mapabuti ang katatagan ng bakal sa kinakaing unti-unti na media.

2). Pangunahing Pag-aaral ng Patent

Pangunahing patent: ang patent ng pag-imbento ng dispersion ng oxide ay nagpalakas ng mababang activation steel at ang paraan ng paghahanda nito ng Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patent abstract: Ibinigay ay isang oxide dispersion strengthened low activation steel na angkop para sa fusion reactors at ang paraan ng paghahanda nito, na nailalarawan sa na ang porsyento ng mga elemento ng haluang metal sa kabuuang masa ng mababang activation steel ay: ang matrix ay 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%, at 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

Proseso ng paggawa: Fe-Cr-WV-Ta-Mn mother alloy smelting, powder atomization, high-energy ball milling ng mother alloy atY2O3 nanoparticlemixed powder, powder enveloping extraction, solidification molding, hot rolling, at heat treatment.

Paraan ng pagdaragdag ng Rare earth: Magdagdag ng nanoscaleY2O3particle sa parent alloy atomized powder para sa high-energy ball milling, na ang ball milling medium ay Φ 6 at Φ 10 mixed hard steel balls, na may ball milling atmosphere na 99.99% argon gas, isang ball material mass ratio na (8- 10): 1, isang oras ng paggiling ng bola na 40-70 oras, at bilis ng pag-ikot na 350-500 r/min.

3）.Ginagamit sa paggawa ng mga materyales sa proteksyon ng radiation ng neutron

① Prinsipyo ng proteksyon ng neutron radiation

Ang mga neutron ay mga bahagi ng atomic nuclei, na may static na masa na 1.675 × 10-27kg, na 1838 beses ang elektronikong masa. Ang radius nito ay humigit-kumulang 0.8 × 10-15m, katulad ng laki sa isang proton, katulad ng γ Ang mga sinag ay pantay na walang bayad. Kapag ang mga neutron ay nakikipag-ugnayan sa bagay, sila ay pangunahing nakikipag-ugnayan sa mga puwersang nuklear sa loob ng nucleus, at hindi nakikipag-ugnayan sa mga electron sa panlabas na shell.

Sa mabilis na pag-unlad ng enerhiyang nuklear at teknolohiya ng nukleyar na reaktor, higit na binibigyang pansin ang kaligtasan ng radyasyong nuklear at proteksyon ng radyasyong nuklear. Upang palakasin ang proteksyon sa radiation para sa mga operator na nakikibahagi sa pagpapanatili ng kagamitan sa radiation at pagsagip sa aksidente sa loob ng mahabang panahon, ito ay may malaking pang-agham na kahalagahan at pang-ekonomiyang halaga upang bumuo ng magaan na shielding composite para sa proteksiyon na damit. Ang neutron radiation ay ang pinakamahalagang bahagi ng nuclear reactor radiation. Sa pangkalahatan, ang karamihan sa mga neutron na direktang nakikipag-ugnayan sa mga tao ay pinabagal sa mababang-enerhiya na mga neutron pagkatapos ng epekto ng pananggalang sa neutron ng mga materyales sa istruktura sa loob ng nuclear reactor. Ang mga neutron na mababa ang enerhiya ay magbabangga sa nuclei na may mas mababang atomic na numero nang elastis at patuloy na i-moderate. Ang mga na-moderate na thermal neutron ay maa-absorb ng mga elemento na may mas malalaking cross section ng pagsipsip ng neutron, at sa wakas ay makakamit ang neutron shielding.

② Pangunahing Pag-aaral ng Patent

Ang buhaghag at organic-inorganic na hybrid na katangian ngelemento ng bihirang lupagadoliniumAng mga materyales na nakabatay sa metal na organic skeleton ay nagpapataas ng kanilang compatibility sa polyethylene, na nagsusulong ng mga synthesized composite na materyales upang magkaroon ng mas mataas na gadolinium content at gadolinium dispersion. Ang mataas na gadolinium content at dispersion ay direktang makakaapekto sa neutron shielding performance ng mga composite na materyales.

Pangunahing patent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, patent ng imbensyon ng gadolinium based organic framework composite shielding material at ang paraan ng paghahanda nito

Patent Abstract: Gadolinium based metal organic skeleton composite shielding material ay isang composite material na nabuo sa pamamagitan ng paghahalogadoliniumbased metal organic skeleton material na may polyethylene sa weight ratio na 2:1:10 at nabubuo ito sa pamamagitan ng solvent evaporation o hot pressing. Gadolinium based metal organic skeleton composite shielding materials ay may mataas na thermal stability at thermal neutron shielding ability.

Proseso ng paggawa: pagpili ng iba't ibanggadolinium na metalsalts at organic ligand upang maghanda at mag-synthesize ng iba't ibang uri ng gadolinium based na metal na organic skeleton na materyales, hinuhugasan ang mga ito ng maliliit na molekula ng methanol, ethanol, o tubig sa pamamagitan ng centrifugation, at i-activate ang mga ito sa mataas na temperatura sa ilalim ng mga kondisyon ng vacuum upang ganap na maalis ang natitirang hindi na-react na mga hilaw na materyales sa mga pores ng gadolinium based metal organic skeleton materials; Ang gadolinium based organometallic skeleton material na inihanda sa hakbang ay hinalo gamit ang polyethylene lotion sa isang mataas na bilis, o ultrasonically, o ang gadolinium based organometallic skeleton material na inihanda sa hakbang ay natutunaw na pinaghalo na may ultra-high molecular weight polyethylene sa mataas na temperatura hanggang sa ganap na halo-halong; Ilagay ang pare-parehong pinaghalong gadolinium based na metal na organic skeleton material/polyethylene mixture sa molde, at kunin ang nabuong gadolinium based metal organic skeleton composite shielding material sa pamamagitan ng pagpapatuyo upang isulong ang solvent evaporation o hot pressing; Ang inihandang gadolinium based metal organic skeleton composite shielding material ay makabuluhang nagpabuti ng heat resistance, mechanical properties, at superior thermal neutron shielding ability kumpara sa purong polyethylene na materyales.

Rare earth addition mode: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 o Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 porous crystalline coordination polymer na naglalaman ng gadolinium, na nakukuha sa pamamagitan ng coordination polymerization ngGd (NO3) 3 • 6H2O o GdCl3 • 6H2Oat organic carboxylate ligand; Ang laki ng gadolinium based metal organic skeleton material ay 50nm-2 μm; Gadolinium based metal organic skeleton materials ay may iba't ibang morpolohiya, kabilang ang granular, rod-shaped, o needle shaped shapes.

（4） Paglalapat ngScandiumsa Radiochemistry at nuclear industry

Ang Scandium metal ay may magandang thermal stability at malakas na fluorine absorption performance, na ginagawa itong isang kailangang-kailangan na materyal sa atomic energy industry.

Pangunahing patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patent ng imbensyon para sa aluminum zinc magnesium scandium alloy at ang paraan ng paghahanda nito

Patent abstract: Isang aluminum zinchaluang metal ng magnesium scandiumat paraan ng paghahanda nito. Ang komposisyon ng kemikal at porsyento ng timbang ng aluminyo zinc magnesium scandium alloy ay: 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%, solong iba pang mga impurities ≤ 0.05%, iba pang mga impurities kabuuang ≤ 0.15%, at ang natitirang halaga ay Al. Ang microstructure ng aluminum zinc magnesium scandium alloy na materyal na ito ay pare-pareho at ang pagganap nito ay stable, na may pinakamataas na lakas ng tensile na higit sa 400MPa, lakas ng ani na higit sa 350MPa, at isang tensile strength na higit sa 370MPa para sa mga welded joints. Ang mga materyal na produkto ay maaaring gamitin bilang mga elemento ng istruktura sa aerospace, industriya ng nukleyar, transportasyon, mga gamit sa palakasan, armas at iba pang larangan.

Proseso ng paggawa: Hakbang 1, sangkap ayon sa komposisyon ng haluang metal sa itaas; Hakbang 2: Matunaw sa smelting furnace sa temperaturang 700 ℃~780 ℃; Hakbang 3: Pinuhin ang ganap na natunaw na likidong metal, at panatilihin ang temperatura ng metal sa loob ng hanay na 700 ℃~750 ℃ ​​sa panahon ng pagpino; Hakbang 4: Pagkatapos ng pagpino, dapat itong ganap na payagang tumayo; Hakbang 5: Pagkatapos ganap na tumayo, simulan ang paghahagis, panatilihin ang temperatura ng pugon sa loob ng hanay na 690 ℃~730 ℃, at ang bilis ng paghahagis ay 15-200mm/minuto; Hakbang 6: Magsagawa ng homogenization annealing treatment sa alloy ingot sa heating furnace, na may homogenization temperature na 400 ℃~470 ℃; Hakbang 7: Balatan ang homogenized ingot at magsagawa ng mainit na extrusion upang makagawa ng mga profile na may kapal ng pader na higit sa 2.0mm. Sa panahon ng proseso ng pagpilit, ang billet ay dapat mapanatili sa temperatura na 350 ℃ hanggang 410 ℃; Hakbang 8: I-squeeze ang profile para sa solution quenching treatment, na may solution temperature na 460-480 ℃; Hakbang 9: Pagkatapos ng 72 oras ng solid solution quenching, manually force aging. Ang manual force aging system ay: 90~110 ℃/24 oras+170~180 ℃/5 oras, o 90~110 ℃/24 oras+145~155 ℃/10 oras.

5, Buod ng Pananaliksik

Sa kabuuan, ang mga rare earth ay malawakang ginagamit sa nuclear fusion at nuclear fission, at mayroong maraming patent layout sa mga teknikal na direksyon tulad ng X-ray excitation, plasma formation, light water reactor, transuranium, uranyl at oxide powder. Tulad ng para sa mga materyales ng reactor, ang mga bihirang lupa ay maaaring gamitin bilang mga materyales sa istruktura ng reaktor at mga kaugnay na materyales sa pagkakabukod ng ceramic, mga materyales sa pagkontrol at mga materyales sa proteksyon ng neutron radiation.