Application ng mga bihirang elemento ng lupa sa mga materyales na nukleyar

1 、 Kahulugan ng mga nukleyar na materyales

Sa isang malawak na kahulugan, ang materyal na nukleyar ay ang pangkalahatang termino para sa mga materyales na ginamit nang eksklusibo sa industriya ng nuklear at pananaliksik na pang -agham na nukleyar, kabilang ang mga nuclear fuel at nuclear engineering materials, ibig sabihin hindi nukleyar na mga materyales sa gasolina.

Ang karaniwang tinutukoy sa mga materyales na nuklear ay pangunahing tumutukoy sa mga materyales na ginamit sa iba't ibang bahagi ng reaktor, na kilala rin bilang mga materyales sa reaktor. Kasama sa mga materyales sa reaktor ang nukleyar na gasolina na sumasailalim sa nuclear fission sa ilalim ng pambobomba ng neutron, mga cladding na materyales para sa mga sangkap ng nukleyar na gasolina, mga coolant, neutron moderator (mga moderator), control rod materials na malakas na sumisipsip ng mga neutron, at mga mapanimdim na materyales na pumipigil sa pagtagas ng neutron sa labas ng reaktor.

2 、 CO na nauugnay na ugnayan sa pagitan ng mga bihirang mapagkukunan ng lupa at mga mapagkukunang nukleyar

Ang Monazite, na tinatawag ding phosphocerite at phosphocerite, ay isang pangkaraniwang accessory mineral sa intermediate acid igneous rock at metamorphic rock. Ang Monazite ay isa sa mga pangunahing mineral ng bihirang metal metal metal, at umiiral din sa ilang sedimentary rock. Brownish pula, dilaw, kung minsan kayumanggi dilaw, na may madulas na kinang, kumpletong cleavage, Mohs tigas na 5-5.5, at tiyak na gravity na 4.9-5.5.

Ang pangunahing mineral na mineral ng ilang uri ng placer na bihirang mga deposito ng lupa sa Tsina ay Monazite, higit sa lahat na matatagpuan sa Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, at County, Guangxi. Gayunpaman, ang pagkuha ng uri ng placer na bihirang mga mapagkukunan ng lupa ay madalas na walang kabuluhan sa ekonomiya. Ang mga nag -iisa na bato ay madalas na naglalaman ng mga reflexive na elemento ng thorium at din ang pangunahing mapagkukunan ng komersyal na plutonium.

3 、 Pangkalahatang -ideya ng Rare Earth Application sa Nuclear Fusion at Nuclear Fission Batay sa Patent Panoramic Analysis

Matapos ang mga keyword ng bihirang mga elemento ng paghahanap sa lupa ay ganap na pinalawak, sinamahan sila ng mga key ng pagpapalawak at mga numero ng pag -uuri ng nuclear fission at nuclear fusion, at hinanap sa incopt database. Ang petsa ng paghahanap ay Agosto 24, 2020. 4837 mga patent ay nakuha pagkatapos ng simpleng pagsasama ng pamilya, at 4673 mga patent ay tinutukoy pagkatapos ng artipisyal na pagbawas sa ingay.

Ang mga bihirang aplikasyon ng patent ng lupa sa larangan ng nuclear fission o nuclear fusion ay ipinamamahagi sa 56 na mga bansa/rehiyon, higit sa lahat na nakatuon sa Japan, China, Estados Unidos, Alemanya at Russia, atbp. 1).

Larawan 1 Ang takbo ng aplikasyon ng mga patent ng teknolohiya na may kaugnayan sa bihirang aplikasyon ng lupa sa nuclear nuclear fission at nuclear fusion sa mga bansa/rehiyon

Makikita ito mula sa pagsusuri ng mga teknikal na tema na ang aplikasyon ng bihirang lupa sa nuclear fusion at nuclear fission ay nakatuon sa mga elemento ng gasolina, scintillator, radiation detector, actinides, plasmas, nuclear reaktor, mga materyales sa pangangalaga, neutron pagsipsip at iba pang mga teknikal na direksyon.

4 、 Mga tukoy na aplikasyon at pangunahing patent na pananaliksik ng mga bihirang elemento ng lupa sa mga nukleyar na materyales

Kabilang sa mga ito, ang nuclear fusion at nuclear fission reaksyon sa mga nuclear material ay matindi, at ang mga kinakailangan para sa mga materyales ay mahigpit. Sa kasalukuyan, ang mga reaktor ng kuryente ay pangunahing mga reaktor ng nuclear fission, at ang mga reaktor ng fusion ay maaaring mapopular sa isang malaking sukat pagkatapos ng 50 taon. Ang application ngbihirang lupamga elemento sa mga materyal na istruktura ng reaktor; Sa mga tiyak na larangan ng kemikal na nukleyar, ang mga bihirang elemento ng lupa ay pangunahing ginagamit sa mga control rod; Bilang karagdagan,Scandiumay ginamit din sa radiochemistry at nuclear na industriya.

（1） bilang sunugin na lason o control rod upang ayusin ang antas ng neutron at kritikal na estado ng nuclear reaktor

Sa mga reaktor ng kuryente, ang paunang natitirang reaktibo ng mga bagong cores ay karaniwang medyo mataas. Lalo na sa mga unang yugto ng unang pag -ikot ng refueling, kapag ang lahat ng nuclear fuel sa core ay bago, ang natitirang reaktibo ay ang pinakamataas. Sa puntong ito, ang umaasa lamang sa pagtaas ng mga control rod upang mabayaran ang natitirang reaktibo 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, ito ay nagdaragdag ng mga gastos, at sa kabilang banda, ang pagbubukas ng mga butas sa ulo ng daluyan ng presyon ay maaaring humantong sa pagbaba ng lakas ng istruktura. Hindi lamang ito hindi ekonomiko, ngunit hindi rin pinapayagan na magkaroon ng isang tiyak na halaga ng porosity at lakas ng istruktura sa ulo ng daluyan ng presyon. Gayunpaman, nang walang pagtaas ng mga control rod, kinakailangan upang madagdagan ang konsentrasyon ng kemikal na bumubuo ng mga lason (tulad ng boric acid) upang mabayaran ang natitirang reaktibo. 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 nabanggit na mga problema, ang isang kumbinasyon ng mga sunugin na mga toxin, control rod, at control ng kabayaran sa kemikal ay maaaring magamit para sa kontrol.

（2） bilang isang dopant upang mapahusay ang pagganap ng mga materyal na istruktura ng reaktor

Ang mga reaktor ay nangangailangan ng mga sangkap na istruktura at mga elemento ng gasolina upang magkaroon ng isang tiyak na antas ng lakas, paglaban ng kaagnasan, at mataas na katatagan ng thermal, habang pinipigilan din ang mga produkto ng fission na pumasok sa coolant.

1) .Rare Earth Steel

Ang nuclear reaktor ay may matinding pisikal at kemikal na kondisyon, at ang bawat bahagi ng reaktor ay mayroon ding mataas na mga kinakailangan para sa espesyal na ginamit na bakal. Ang mga elemento ng Rare Earth ay may mga espesyal na epekto ng pagbabago sa bakal, higit sa lahat kabilang ang paglilinis, metamorphism, microalloying, at pagpapabuti ng paglaban sa kaagnasan. Ang mga bihirang lupa na naglalaman ng mga steel ay malawak na ginagamit sa mga nukleyar na reaktor.

① Epekto ng paglilinis: Ang umiiral na pananaliksik ay nagpakita na ang mga bihirang lupa ay may mahusay na epekto sa paglilinis sa tinunaw na bakal sa mataas na temperatura. Ito ay dahil ang mga bihirang lupa ay maaaring gumanti sa mga nakakapinsalang elemento tulad ng oxygen at asupre sa tinunaw na bakal upang makabuo ng mga compound na may mataas na temperatura. Ang mga high-temperatura na compound ay maaaring mapukaw at maipalabas sa anyo ng mga inclusions bago ang tinunaw na bakal na condense, sa gayon binabawasan ang nilalaman ng karumihan sa tinunaw na bakal.

② Metamorphism: Sa kabilang banda, ang mga oxides, sulfides o oxysulfides na nabuo ng reaksyon ng bihirang lupa sa tinunaw na bakal na may mga nakakapinsalang elemento tulad ng oxygen at asupre ay maaaring bahagyang mapanatili sa tinunaw na bakal at maging mga pagkakasama ng bakal na may mataas na punto ng pagtunaw. Ang mga pagsasama na ito ay maaaring magamit bilang mga heterogenous na mga sentro ng nucleation sa panahon ng solidification ng tinunaw na bakal, sa gayon pinapabuti ang hugis at istraktura ng bakal.

③ Microalloying: Kung ang pagdaragdag ng bihirang lupa ay karagdagang nadagdagan, ang natitirang bihirang lupa ay matunaw sa bakal pagkatapos makumpleto ang paglilinis at metamorphism. Dahil ang atomic radius ng bihirang lupa ay mas malaki kaysa sa atom ng bakal, ang bihirang lupa ay may mas mataas na aktibidad sa ibabaw. Sa panahon ng proseso ng solidification ng tinunaw na bakal, ang mga bihirang elemento ng lupa ay pinayaman sa hangganan ng butil, na mas mahusay na mabawasan ang paghiwalay ng mga elemento ng karumihan sa hangganan ng butil, sa gayon pinalakas ang solidong solusyon at paglalaro ng papel ng microalloying. Sa kabilang banda, dahil sa mga katangian ng imbakan ng hydrogen ng mga bihirang lupa, maaari silang sumipsip ng hydrogen sa bakal, sa gayon ay epektibong mapabuti ang hydrogen embrittlement na kababalaghan ng bakal.

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

2). Key Patent Study

Key Patent: Ang pag -imbento ng patent ng isang pagkakalat ng oxide ay pinalakas ang mababang pag -activate ng bakal at ang paraan ng paghahanda nito sa pamamagitan ng Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patent Abstract: Ang ibinigay ay isang pagkakalat ng oxide na pinalakas ang mababang pag -activate ng bakal na angkop para sa mga fusion reaktor at ang paraan ng paghahanda nito, na nailalarawan sa porsyento ng mga elemento ng haluang metal sa kabuuang masa ng mababang pag -activate ng bakal 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 Ina Alloy Smelting, Powder Atomization, High-Energy Ball Milling ng Ina Alloy atY2O3 nanoparticleAng halo -halong pulbos, pagkuha ng enveloping ng pulbos, paghubog ng solidification, mainit na pag -ikot, at paggamot sa init.

Rare Earth karagdagan Paraan: Magdagdag ng nanoscaleY2O3Ang mga partikulo sa magulang na haluang metal na atomized na pulbos para sa high-energy ball milling, na may ball milling medium na φ 6 at φ 10 halo-halong hard steel bola, na may isang ball milling na kapaligiran na 99.99% argon gas, isang bola na materyal na masa ng (8-10): 1, isang oras ng paggiling ng bola na 40-70 na oras, at isang bilis ng rotational na 350-500 r/min.

3）. Ginagamit upang gumawa ng mga materyales sa proteksyon ng neutron radiation

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 kung saan ay 1838 beses ang elektronikong masa. Ang radius nito ay humigit-kumulang na 0.8 × 10-15m, na katulad ng laki sa isang proton, na katulad ng mga sinag ng γ ay pantay na hindi sinasadya. Kapag ang mga neutron ay nakikipag -ugnay sa bagay, higit sa lahat sila ay nakikipag -ugnay sa mga puwersang nuklear sa loob ng nucleus, at hindi nakikipag -ugnay sa mga electron sa panlabas na shell.

Sa mabilis na pag -unlad ng nuclear energy at nuclear reaktor na teknolohiya, higit pa at higit na pansin ang nabayaran sa kaligtasan ng nuclear radiation at proteksyon ng nuclear radiation. Upang palakasin ang proteksyon ng radiation para sa mga operator na nakikibahagi sa pagpapanatili ng kagamitan sa radiation at pagsagip ng aksidente sa loob ng mahabang panahon, ito ay mahusay na kahalagahan ng pang -agham at pang -ekonomiyang halaga upang makabuo ng magaan na mga composite ng kalasag para sa proteksiyon na damit. Ang neutron radiation ay ang pinakamahalagang bahagi ng radiation ng nuclear reaktor. Kadalasan, ang karamihan sa mga neutron sa direktang pakikipag-ugnay sa mga tao ay pinabagal sa mga neutron na mababa ang enerhiya pagkatapos ng neutron na epekto ng istruktura ng mga istruktura sa loob ng nukleyar na reaktor. Ang mga mababang neutron na enerhiya ay mabangga sa nuclei na may mas mababang bilang ng atomic nang maselan at patuloy na moderated. Ang moderated thermal neutrons ay mahihigop ng mga elemento na may mas malaking neutron na pagsipsip ng mga seksyon, at sa wakas ay makamit ang neutron na kalasag.

② Key Patent Study

Ang porous at organic-inorganic hybrid na mga katangian ngRare Earth ElementGadoliniumAng mga batay sa metal na mga materyales sa balangkas ay nagdaragdag ng kanilang pagiging tugma sa polyethylene, na nagtataguyod ng synthesized composite na materyales upang magkaroon ng mas mataas na nilalaman ng gadolinium at pagpapakalat ng gadolinium. Ang mataas na nilalaman ng gadolinium at pagpapakalat ay direktang makakaapekto sa pagganap ng proteksyon ng neutron ng mga pinagsama -samang materyales.

Key Patent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, Imbensyon Patent ng isang Gadolinium Based Organic Framework Composite Shielding Material at Paraan ng Paghahanda nito

Patent Abstract: Gadolinium based Metal Organic Skeleton Composite Shielding Material ay isang pinagsama -samang materyal na nabuo sa pamamagitan ng paghahaloGadoliniumbatay sa metal na organikong balangkas ng balangkas na may polyethylene sa isang ratio ng timbang na 2: 1: 10 at bumubuo nito sa pamamagitan ng solvent na pagsingaw o mainit na pagpindot. Ang Gadolinium na batay sa metal na organikong balangkas na composite na mga materyales sa kalasag ay may mataas na katatagan ng thermal at thermal neutron na kalasag na kakayahan.

Proseso ng Paggawa: Ang pagpili ng ibaGadolinium metalAng mga asing -gamot at organikong ligand upang maghanda at synthesize ang iba't ibang uri ng mga materyales na batay sa gadolinium na batay sa metal na mga materyales, paghuhugas ng mga ito ng maliit na molekula ng methanol, ethanol, o tubig sa pamamagitan ng sentripugasyon, at pag -activate ng mga ito sa mataas na temperatura sa ilalim ng mga kondisyon ng vacuum upang ganap na alisin ang mga natitirang hindi nababago na mga materyales sa mga pores ng gadolinium na batay sa metal na mga materyales na may skeleton; Ang gadolinium na batay sa organometallic skeleton material na inihanda sa hakbang ay hinalo na may polyethylene lotion sa isang mataas na bilis, o ultrasonically, o ang gadolinium batay sa organometallic na materyal na handa sa hakbang ay natutunaw na pinaghalo ng ultra-high molekular na timbang na polyethylene sa mataas na temperatura hanggang sa ganap na halo; Ilagay ang pantay na halo -halong gadolinium na batay sa metal na organikong balangkas ng balangkas/halo ng polyethylene sa amag, at makuha ang nabuo na gadolinium na batay sa metal na organikong kalansay na composite na kalasag na materyal sa pamamagitan ng pagpapatayo upang maisulong ang solvent na pagsingaw o mainit na pagpindot; Ang inihanda na gadolinium na batay sa metal na organikong balangkas na composite na kalasag na materyal ay makabuluhang napabuti ang paglaban ng init, mga katangian ng mekanikal, at mahusay na kakayahan ng thermal neutron na kumpara sa purong polyethylene na materyales.

Rare Earth karagdagan 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 nakuha sa pamamagitan ng coordination polymerization ngGD (NO3) 3 • 6H2O o GDCL3 • 6H2Oat organikong carboxylate ligand; Ang laki ng gadolinium na batay sa metal na organikong balangkas ng balangkas ay 50nm-2 μ m ； gadolinium na batay sa metal na mga organikong materyales ng balangkas ay may iba't ibang mga morphologies, kabilang ang butil, hugis-rod, o mga hugis ng karayom.

（4） Application ngScandiumsa Radiochemistry at Nuclear Industry

Ang Scandium Metal ay may mahusay na thermal stability at malakas na pagganap ng pagsipsip ng fluorine, na ginagawa itong isang kailangang -kailangan na materyal sa industriya ng enerhiya ng atom.

Key Patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, Invention Patent para sa isang Aluminum Zinc Magnesium Scandium Alloy at Paraan ng Paghahanda nito

Patent Abstract: Isang aluminyo zincMagnesium Scandium Alloyat paraan ng paghahanda nito. Ang kemikal na komposisyon at porsyento ng timbang ng aluminyo zinc magnesium scandium haluang metal 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%, iba pang mga impurities na solong ≤ 0.05%, iba pang mga hindi pag -aakit ≤ total ≤ total 0.15%, at ang natitirang halaga ay al. Ang microstructure ng aluminyo zinc magnesium scandium alloy material ay pantay at ang pagganap nito ay matatag, na may isang panghuli na makunat na lakas na higit sa 400MPa, isang lakas ng ani ng higit sa 350MPa, at isang makunat na lakas na higit sa 370MPA para sa mga welded joints. Ang mga materyal na produkto ay maaaring magamit bilang mga elemento ng istruktura sa aerospace, industriya ng nuklear, transportasyon, mga kalakal sa palakasan, armas at iba pang larangan.

Proseso ng Paggawa: Hakbang 1, sangkap ayon sa komposisyon ng haluang metal na haluang metal; Hakbang 2: Matunaw sa pugon ng smelting sa temperatura na 700 ℃ ~ 780 ℃; Hakbang 3: Pinuhin ang ganap na tinunaw na likido ng metal, at mapanatili ang temperatura ng metal sa loob ng saklaw ng 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​sa panahon ng pagpino; Hakbang 4: Pagkatapos ng pagpino, dapat itong ganap na payagan na tumayo pa rin; Hakbang 5: Pagkatapos ng ganap na pagtayo, simulan ang paghahagis, mapanatili ang temperatura ng hurno sa loob ng saklaw ng 690 ℃ ~ 730 ℃, at ang bilis ng paghahagis ay 15-200mm/minuto; Hakbang 6: Magsagawa ng paggamot sa homogenization annealing sa haluang metal na ingot sa hurno ng pag -init, na may temperatura ng homogenization na 400 ℃ ~ 470 ℃; Hakbang 7: Peel ang homogenized ingot at magsagawa ng mainit na extrusion upang makabuo ng mga profile na may kapal ng pader na higit sa 2.0mm. Sa panahon ng proseso ng extrusion, ang billet ay dapat mapanatili sa temperatura na 350 ℃ hanggang 410 ℃; Hakbang 8: pisilin ang profile para sa paggamot sa pagsusubo ng solusyon, na may temperatura ng solusyon na 460-480 ℃; Hakbang 9: Pagkatapos ng 72 oras ng solidong solusyon sa pagsusubo, manu -manong pilitin ang pagtanda. Ang manu -manong sistema ng pag -iipon ng puwersa ay: 90 ~ 110 ℃/24 na oras+170 ~ 180 ℃/5 oras, o 90 ~ 110 ℃/24 na oras+145 ~ 155 ℃/10 oras.

5 、 Buod ng Pananaliksik

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