1 、 Definition av kärnkraftsmaterial
I bred mening är kärnmaterial den allmänna termen för material som uteslutande används i kärnkraftsindustrin och kärnkraftsforskningsforskning, inklusive kärnkraftsbränsle och kärnkraftsmaterial, dvs icke -kärnbränslematerial.
Det vanligtvis hänvisade till kärnmaterial hänvisar huvudsakligen till material som används i olika delar av reaktorn, även känd som reaktormaterial. Reaktormaterial inkluderar kärnbränsle som genomgår kärnklyvning under neutronbombardement, beklädnadsmaterial för kärnbränslekomponenter, kylmedel, neutronmoderatorer (moderatorer), kontrollstångmaterial som starkt absorberar neutroner och reflekterande material som förhindrar neutronläckage utanför reaktorn.
2 、 CO Associated Relationship mellan sällsynta jordartsresurser och kärnkraftsresurser
Monazit, även kallad fosfocerit och fosfocerit, är ett vanligt tillbehörsmineral i mellangiva stollande berg och metamorf sten. Monazite är en av de viktigaste mineralerna i sällsynt jordartsmetallmalm och finns också i någon sedimentär sten. Brunröd, gul, ibland brunaktig gul, med en fet glans, fullständig klyvning, Mohs hårdhet på 5-5,5 och specifik tyngdkraft på 4,9-5,5.
Det huvudsakliga malmmineralet för några sällsynta jordartsavlagringar i Kina är monazit, främst beläget i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan och He County, Guangxi. Emellertid har extraktionen av resurser av placeringstyp sällsynta jordar resurser ofta inte ekonomisk betydelse. Ensamhetsstenar innehåller ofta reflexiva thoriumelement och är också den huvudsakliga källan till kommersiellt plutonium.
3 、 Översikt över sällsynt jordartsapplikation vid kärnfusion och kärnklyvning baserad på patentpanoramanalys
Efter att nyckelorden för sällsynta jordarts sökelement är helt utvidgade, kombineras de med expansionsnycklarna och klassificeringsnummer av kärnklyvning och kärnfusion och sökte i Incopt -databasen. Sökdatumet är den 24 augusti 2020. 4837 Patent erhölls efter enkel familjefusion och 4673 patent bestämdes efter konstgjord brusreducering.
Sällsynta jordarpatentansökningar inom området kärnklyvning eller kärnfusion distribueras i 56 länder/regioner, främst koncentrerade i Japan, Kina, USA, Tyskland och Ryssland, etc. Ett betydande antal patent är tillämpade i form av PCT, av vilka kinesiska patenttekniska tillämpningar har ökat, särskilt sedan 2009, och ingick i en snabb tillväxtstadium, och Japan, har det förenade rusor fortsatt att lägga ut i detta område (Filling för många år) (Filling) (Pera).
Figur 1 Applikationstrend av teknikpatent relaterade till sällsynt jordarts tillämpning i kärnkraftslöjning och kärnfusion i länder/regioner
Det framgår av analysen av tekniska teman att tillämpningen av sällsynt jord i kärnfusion och kärnklyvning fokuserar på bränslelement, scintillatorer, strålningsdetektorer, aktinider, plasma, kärnreaktorer, skärmmaterial, neutronabsorption och andra tekniska riktningar.
4 、 Specifika applikationer och nyckelpatentforskning av sällsynta jordelement i kärnkraftsmaterial
Bland dem är kärnfusions- och kärnklyvningsreaktioner i kärnkraftsmaterial intensiva och kraven för material är strikta. För närvarande är kraftreaktorer huvudsakligen kärnklyftreaktorer, och fusionsreaktorer kan populariseras i stor skala efter 50 år. Tillämpning avsällsynt jordelement i reaktorstrukturella material; I specifika kärnkemiska fält används sällsynta jordartselement huvudsakligen i kontrollstänger; Dessutomskandiumhar också använts inom radiokemi och kärnkraftsindustri.
（1） som brännbart gift eller kontrollstång för att justera neutronnivå och kritiskt tillstånd för kärnreaktor
I kraftreaktorer är den initiala återstående reaktiviteten hos nya kärnor i allmänhet relativt hög. Speciellt i de tidiga stadierna av den första tankningscykeln, när allt kärnbränsle i kärnan är ny, är den återstående reaktiviteten den högsta. Vid denna tidpunkt skulle det att förlita sig bara på att öka kontrollstängerna för att kompensera för återstående reaktivitet införa fler kontrollstänger. Varje styrstång (eller stavpaket) motsvarar införandet av en komplex körmekanism. Å ena sidan ökar detta kostnader, och å andra sidan kan öppning av hål i tryckkärlshuvudet leda till en minskning av strukturell styrka. Det är inte bara oekonomiskt, utan det är inte heller tillåtet att ha en viss mängd porositet och strukturell styrka på tryckkärlshuvudet. Utan att öka kontrollstängerna är det emellertid nödvändigt att öka koncentrationen av kemiska kompensation av toxiner (såsom borsyra) för att kompensera för den återstående reaktiviteten. I detta fall är det lätt för borkoncentrationen att överskrida tröskeln, och temperaturkoefficienten för moderatoren blir positiv.
För att undvika ovannämnda problem kan en kombination av brännbara toxiner, kontrollstänger och kemisk kompensationskontroll vanligtvis användas för kontroll.
（2） som en dopant för att förbättra prestandan hos reaktorstrukturmaterial
Reaktorer kräver strukturella komponenter och bränslelement för att ha en viss nivå av styrka, korrosionsbeständighet och hög termisk stabilitet, samtidigt som de förhindrar att fissionsprodukter kommer in i kylvätskan.
1) .Rare jordstål
Kärnreaktorn har extrema fysiska och kemiska förhållanden, och varje del av reaktorn har också höga krav för det speciella stålet som används. Sällsynta jordartselement har speciella modifieringseffekter på stål, främst inklusive rening, metamorfism, mikrolättande och förbättring av korrosionsbeständighet. Sällsynta jordar som innehåller stål används också allmänt i kärnreaktorer.
① Reningseffekt: Befintlig forskning har visat att sällsynta jordar har en god reningseffekt på smält stål vid höga temperaturer. Detta beror på att sällsynta jordar kan reagera med skadliga element såsom syre och svavel i det smälta stålet för att generera högtemperaturföreningar. Högtemperaturföreningarna kan fällas ut och släppas ut i form av inneslutningar innan det smälta stålet kondenseras, vilket minskar föroreningsinnehållet i det smälta stålet.
② Metamorfism: Å andra sidan kan oxiderna, sulfider eller oxysulfider som genereras genom reaktionen av sällsynt jord i det smälta stålet med skadliga element såsom syre och svavel delvis behållas i det smälta stålet och bli inneslutningar av stål med hög smältpunkt. Dessa inneslutningar kan användas som heterogena kärnbildningscentra under stelning av det smälta stålet, vilket förbättrar formen och strukturen på stål.
③ Microalloying: Om tillsatsen av sällsynta jorden ytterligare ökas kommer den återstående sällsynta jorden att lösas i stålet efter att ovanstående rening och metamorfism har slutförts. Eftersom atomradie på sällsynt jord är större än för järnatom, har sällsynta jorden högre ytaktivitet. Under stelningsprocessen för smält stål berikas sällsynta jordartselement vid korngränsen, vilket bättre kan minska segregeringen av föroreningselement vid korngränsen, vilket stärker den fasta lösningen och spelar rollen som mikrolättande. Å andra sidan, på grund av väte -lagringsegenskaperna hos sällsynta jordar, kan de absorbera väte i stål och därmed effektivt förbättra vätebrittningsfenomenet stål.
④ Förbättring av korrosionsbeständighet: Tillsatsen av sällsynta jordartselement kan också förbättra korrosionsbeständigheten hos stål. Detta beror på att sällsynta jordar har en högre självkorrosionspotential än rostfritt stål. Därför kan tillsatsen av sällsynta jordar öka självkorrosionspotentialen för rostfritt stål och därigenom förbättra stålens stabilitet i frätande media.
2). Nyckelpatentstudie
Nyckelpatent: Uppfinningspatent för en oxiddispersion förstärkte stål med låg aktivering och dess beredningsmetod av Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Patent Abstract: Tillhandahålls är en oxiddispersion Stärkt lågaktiveringsstål som är lämpligt för fusionsreaktorer och dess beredningsmetod, kännetecknad genom att procentandelen av legeringselement i den totala massan för lågaktiveringsstålet är: matrisen är Fe, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ 1,5%, 0,1% ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ 1,5%, 0,1% ≤ 0,15%, 8,0% < 0,03%≤ TA ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%och 0,05%≤ y2o3 ≤ 0,5%.
Tillverkningsprocess: Fe-cr-wv-ta-MN-moderlegering smältning, pulveratomisering, högenergi bollfräsning av moderlegeringen ochY2O3 nanopartikelBlandat pulver, pulver som omsluter extraktion, stelningsgjutning, varmvalsning och värmebehandling.
Sällsynt tilläggsmetod: Lägg till nanoskalaY2o3Partiklar till moderlegeringen atomiserat pulver för högenergibollfräsning, med bollfräsningsmediet är 6 och φ 10 blandade hårda stålbollar, med en bollfräsatmosfär på 99,99% argongas, ett kulmaterialförhållande på (8-10): 1, en bollfräsningstid på 40-70 timmar och en rotationshastighet på 350-500 R/min.
3）. Används för att göra neutronstrålningsskyddsmaterial
① Principen om neutronstrålningsskydd
Neutroner är komponenter i atomkärnor, med en statisk massa på 1,675 × 10-27 kg, vilket är 1838 gånger den elektroniska massan. Radie är ungefär 0,8 × 10-15 m, liknande i storlek som en proton, liknande y-strålar är lika oladdade. När neutroner interagerar med materien interagerar de huvudsakligen med kärnkrafterna i kärnan och interagerar inte med elektronerna i det yttre skalet.
Med den snabba utvecklingen av kärnkraftsenergi och kärnreaktorteknologi har mer och mer uppmärksamhet ägnats åt kärnstrålningssäkerhet och kärnstrålning. För att stärka strålskyddet för operatörer som har varit engagerade i underhåll av strålningsutrustning och olycksräddning under lång tid är det av stor vetenskaplig betydelse och ekonomiskt värde för att utveckla lätta skärmningskompositer för skyddskläder. Neutronstrålning är den viktigaste delen av kärnreaktorstrålning. I allmänhet har de flesta neutroner i direktkontakt med människor minskats till lågenergi-neutroner efter den neutronskärmningseffekten av strukturella material i kärnreaktorn. Neutroner med låg energi kommer att kollidera med kärnor med lägre atomantal elastiskt och fortsätter att modereras. De modererade termiska neutronerna kommer att absorberas av element med större neutronabsorption tvärsektioner, och slutligen kommer neutronskärmning att uppnås.
② Nyckelpatentstudie
De porösa och organiska-oorganiska hybridegenskaperna hossällsynt jordelementgadoliniumBaserade metallorganiska skelettmaterial ökar deras kompatibilitet med polyeten, vilket främjar de syntetiserade kompositmaterialet för att ha högre gadoliniuminnehåll och gadoliniumdispersion. Det höga gadoliniuminnehållet och dispersionen påverkar direkt neutronskyddets prestanda för de kompositmaterial.
Nyckelpatent: HEFEI Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, uppfinningspatent för ett gadoliniumbaserat organiskt ramkompositskylningsmaterial och dess beredningsmetod
Patent Sammanfattning: Gadoliniumbaserat metallorganiskt skelettkompositskyddsmaterial är ett sammansatt material som bildas av blandninggadoliniumBaserat metallorganiskt skelettmaterial med polyeten i ett viktförhållande av 2: 1: 10 och bildar det genom lösningsmedelsindunstning eller varmpressning. Gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskärmmaterial har hög termisk stabilitet och termisk neutronskärmningsförmåga.
Tillverkningsprocess: Välja olikagadoliniummetallSalter och organiska ligander för att framställa och syntetisera olika typer av gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterial, tvätta dem med små molekyler av metanol, etanol eller vatten genom centrifugering och aktivera dem vid höga temperaturer under vakuumförhållanden för att helt avlägsna de resterande oreagerade råmaterialen i porerna i den gadoliniumbaserade metallorganisationen; Det gadoliniumbaserade organometalliska skelettmaterialet framställt i steg omrörs med polyetenlotion med hög hastighet, eller ultraljud, eller det gadoliniumbaserade organometalliska skelettmaterialet framställt i steg är smält blandat med ultrahög molekylvikt polyetylen vid hög temperatur tills det är helt blandat; Placera den jämnt blandade gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterialet/polyetenblandningen i formen och erhålla det bildade gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskyddsmaterialet genom torkning för att främja lösningsmedel för indunstning eller varmpress; Det beredda gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskyddsmaterialet har avsevärt förbättrat värmebeständighet, mekaniska egenskaper och överlägsen termisk neutronskärmningsförmåga jämfört med rena polyetenmaterial.
Sällsynta jordarts Tilläggsläge: GD2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 eller Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 Porös kristallin koordinationspolymer som innehåller gadolinium, som erhålls genom koordinationspolymerisation avGD (NO3) 3 • 6H2O eller GDCL3 • 6H2Ooch organisk karboxylatligand; Storleken på gadoliniumbaserat metallorganiskt skelettmaterial är 50 nm-2 μm ； gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterial har olika morfologier, inklusive granulära, stavformade eller nålformade former.
（4） tillämpning avSkandiuminom radiokemi och kärnkraftsindustri
Skandiummetall har god termisk stabilitet och stark fluorabsorptionsprestanda, vilket gör det till ett oundgängligt material i atomenergiindustrin.
Nyckelpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uppfinningspatent för en aluminium zinkmagnesiumskandiumlegering och dess beredningsmetod
Patent Sammanfattning: En aluminiumzinkmagnesiumskandiumlegeringoch dess beredningsmetod. 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%, och det återstående beloppet är Al. Mikrostrukturen i detta aluminium zinkmagnesiumskandiumlegeringsmaterial är enhetligt och dess prestanda är stabil, med en ultimat draghållfasthet på över 400MPa, en avkastningsstyrka på över 350MPa och en draghållfasthet på över 370MPa för svetsade leder. Materialprodukterna kan användas som strukturella element inom flyg-, kärnkraftsindustrin, transport, idrottsartiklar, vapen och andra områden.
Tillverkningsprocess: Steg 1, ingrediens enligt ovanstående legeringskomposition; Steg 2: Smält i smältugnen vid en temperatur av 700 ℃ ~ 780 ℃; Steg 3: Förfina den helt smälta metallvätskan och håll metalltemperaturen inom intervallet 700 ℃ ~ 750 ℃ under raffinering; Steg 4: Efter raffinering bör det vara helt tillåtet att stå stilla; Steg 5: Efter att ha helt stått, börja gjutning, underhåll ugntemperaturen inom intervallet 690 ℃ ~ 730 ℃ och gjuthastigheten är 15-200 mm/minut; Steg 6: Utför homogeniseringsgödselbehandling på legeringsgötet i uppvärmningsugnen, med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Steg 7: Skala den homogeniserade götet och utför varm extrudering för att producera profiler med en väggtjocklek på över 2,0 mm. Under extruderingsprocessen bör billet hållas vid en temperatur av 350 ℃ till 410 ℃; Steg 8: Pressa profilen för lösningsläckning, med en lösningstemperatur på 460-480 ℃; Steg 9: Efter 72 timmars solid lösning släckning, tvinga manuellt åldrande. Manual Force Aging System är: 90 ~ 110 ℃/24 timmar+170 ~ 180 ℃/5 timmar, eller 90 ~ 110 ℃/24 timmar+145 ~ 155 ℃/10 timmar.
5 、 Forskningsöversikt
På det hela taget används sällsynta jordar i stor utsträckning i kärnfusion och kärnklyvning och har många patentlayouter i sådana tekniska riktningar som röntgenexcitation, plasmabildning, lätt vattenreaktor, transuran, uranyl och oxidpulver. När det gäller reaktormaterial kan sällsynta jordar användas som reaktorstrukturella material och relaterade keramiska isoleringsmaterial, kontrollmaterial och neutronstrålningsskyddsmaterial.
Posttid: maj-26-2023