1. Definition av kärnämnen
I vid bemärkelse är kärnämne den allmänna termen för material som uteslutande används inom kärnkraftsindustrin och kärnvetenskaplig forskning, inklusive kärnbränsle och kärntekniska material, dvs. icke-kärnbränslematerial.
De vanligaste termerna för kärnmaterial avser huvudsakligen material som används i olika delar av reaktorn, även kända som reaktormaterial. Reaktormaterial inkluderar kärnbränsle som genomgår kärnklyvning under neutronbombardemang, kapslingsmaterial för kärnbränslekomponenter, kylvätskor, neutronmoderatorer, styrstavsmaterial som absorberar neutroner starkt och reflekterande material som förhindrar neutronläckage utanför reaktorn.
2. Sambandet mellan sällsynta jordartsmetaller och kärnkraftsresurser
Monazit, även kallad fosfocerit och fosfocerit, är ett vanligt hjälpmineral i intermediär sur magmatisk bergart och metamorf bergart. Monazit är ett av huvudmineralerna i sällsynta jordartsmetaller och förekommer även i vissa sedimentära bergarter. Brunröd, gul, ibland brungul, med en fet lyster, fullständig klyvning, Mohs-hårdhet på 5-5,5 och specifik vikt på 4,9-5,5.
Det viktigaste malmmineralet i vissa placer-typ sällsynta jordartsmetallfyndigheter i Kina är monazit, huvudsakligen beläget i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan och He County, Guangxi. Utvinning av placer-typ sällsynta jordartsmetalltillgångar har dock ofta ingen ekonomisk betydelse. Ensamma stenar innehåller ofta reflexiva toriumelement och är också den huvudsakliga källan till kommersiellt plutonium.
3. Översikt över tillämpningar av sällsynta jordartsmetaller inom kärnfusion och kärnklyvning baserat på patenterad panoramaanalys.
Efter att nyckelorden för sökelement för sällsynta jordartsmetaller har expanderats helt kombineras de med expansionsnycklarna och klassificeringsnumren för kärnklyvning och kärnfusion, och söks i Incopt-databasen. Sökdatumet är 24 augusti 2020. 4837 patent erhölls efter enkel familjefusion och 4673 patent fastställdes efter artificiell brusreducering.
Patentansökningar för sällsynta jordartsmetaller inom området kärnklyvning eller kärnfusion är fördelade i 56 länder/regioner, huvudsakligen koncentrerade till Japan, Kina, USA, Tyskland och Ryssland, etc. Ett betydande antal patent söks i form av PCT, varav kinesiska patentansökningar har ökat, särskilt sedan 2009 och har gått in i en snabb tillväxtfas, och Japan, USA och Ryssland har fortsatt att arbeta inom detta område i många år (Figur 1).
Figur 1 Tillämpningstrend för teknikpatent relaterade till tillämpning av sällsynta jordartsmetaller inom kärnklyvning och kärnfusion i länder/regioner
Av analysen av tekniska teman framgår att tillämpningen av sällsynta jordartsmetaller inom kärnfusion och kärnklyvning fokuserar på bränsleelement, scintillatorer, strålningsdetektorer, aktinider, plasmor, kärnreaktorer, skärmningsmaterial, neutronabsorption och andra tekniska riktningar.
4. Specifika tillämpningar och viktig patentforskning av sällsynta jordartsmetaller i kärnmaterial
Bland dem är kärnfusion och kärnklyvningsreaktioner i kärnmaterial intensiva, och kraven på material är strikta. För närvarande är kraftreaktorer huvudsakligen kärnklyvningsreaktorer, och fusionsreaktorer kan bli populära i stor skala efter 50 år. Tillämpningen avsällsynta jordartsmetallerelement i reaktorkonstruktionsmaterial; Inom specifika kärnkemiska områden används sällsynta jordartsmetaller huvudsakligen i styrstavar; Dessutom,skandiumhar också använts inom radiokemi och kärnkraftsindustrin.
(1) Som brännbart gift eller styrstav för att justera neutronnivå och kritiskt tillstånd i en kärnreaktor
I kraftreaktorer är den initiala kvarvarande reaktiviteten i nya kärnor generellt relativt hög. Speciellt i de tidiga stadierna av den första tankningscykeln, när allt kärnbränsle i kärnan är nytt, är den kvarvarande reaktiviteten högst. Vid denna tidpunkt skulle det att enbart förlita sig på att öka antalet styrstavar för att kompensera för kvarvarande reaktivitet introducera fler styrstavar. Varje styrstav (eller stavknippe) motsvarar införandet av en komplex drivmekanism. Å ena sidan ökar detta kostnaderna, och å andra sidan kan öppning av hål i tryckkärlets topp leda till en minskning av strukturell hållfasthet. Det är inte bara oekonomiskt, utan det är inte heller tillåtet att ha en viss mängd porositet och strukturell hållfasthet på tryckkärlets topp. Utan att öka antalet styrstavar är det dock nödvändigt att öka koncentrationen av kemiskt kompenserande toxiner (såsom borsyra) för att kompensera för den kvarvarande reaktiviteten. I detta fall är det lätt att borkoncentrationen överstiger tröskelvärdet, och moderatorns temperaturkoefficient blir positiv.
För att undvika de ovannämnda problemen kan en kombination av brännbara gifter, kontrollstavar och kemisk kompensationskontroll generellt användas för kontroll.
(2) Som dopmedel för att förbättra prestandan hos reaktorstrukturmaterial
Reaktorer kräver att strukturella komponenter och bränsleelement har en viss nivå av hållfasthet, korrosionsbeständighet och hög termisk stabilitet, samtidigt som de förhindrar att fissionsprodukter kommer in i kylmediet.
1) Sällsynt jordartsmetallstål
Kärnreaktorn har extrema fysikaliska och kemiska förhållanden, och varje komponent i reaktorn har också höga krav på det specialstål som används. Sällsynta jordartsmetaller har speciella modifieringseffekter på stål, främst inklusive rening, metamorfism, mikrolegering och förbättring av korrosionsbeständighet. Stål som innehåller sällsynta jordartsmetaller används också i stor utsträckning i kärnreaktorer.
① Reningseffekt: Befintlig forskning har visat att sällsynta jordartsmetaller har en god reningseffekt på smält stål vid höga temperaturer. Detta beror på att sällsynta jordartsmetaller kan reagera med skadliga ämnen som syre och svavel i det smälta stålet för att generera högtemperaturföreningar. Högtemperaturföreningarna kan utfällas och avges i form av inneslutningar innan det smälta stålet kondenserar, vilket minskar föroreningshalten i det smälta stålet.
② Metamorfism: å andra sidan kan oxider, sulfider eller oxisulfider som genereras genom reaktionen mellan sällsynta jordartsmetaller i det smälta stålet och skadliga element som syre och svavel delvis kvarhållas i det smälta stålet och bli inneslutningar i stål med hög smältpunkt. Dessa inneslutningar kan användas som heterogena kärnbildningscentra under stelningen av det smälta stålet, vilket förbättrar stålets form och struktur.
③ Mikrolegering: Om tillsatsen av sällsynta jordartsmetaller ökas ytterligare, kommer de återstående sällsynta jordartsmetallerna att lösas upp i stålet efter att ovanstående rening och metamorfism är avslutad. Eftersom atomradien för sällsynta jordartsmetaller är större än för järnatomer, har sällsynta jordartsmetaller högre ytaktivitet. Under stelningsprocessen av smält stål anrikas sällsynta jordartsmetaller vid korngränsen, vilket bättre kan minska segregeringen av föroreningar vid korngränsen, vilket stärker den fasta lösningen och spelar en roll som mikrolegering. Å andra sidan, på grund av vätelagringsegenskaperna hos sällsynta jordartsmetaller, kan de absorbera väte i stål, vilket effektivt förbättrar väteförsprödningsfenomenet hos stål.
④ Förbättrad korrosionsbeständighet: Tillsats av sällsynta jordartsmetaller kan också förbättra stålets korrosionsbeständighet. Detta beror på att sällsynta jordartsmetaller har en högre självkorrosionspotential än rostfritt stål. Därför kan tillsats av sällsynta jordartsmetaller öka rostfritt ståls självkorrosionspotential och därigenom förbättra stålets stabilitet i korrosiva medier.
2). Viktig patentstudie
Nyckelpatent: uppfinningspatent för ett oxiddispersionsförstärkt lågaktiveringsstål och dess framställningsmetod av Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Patentsammanfattning: Här tillhandahålls ett oxiddispersionsförstärkt lågaktiveringsstål lämpligt för fusionsreaktorer och dess framställningsmetod, kännetecknat av att andelen legeringselement i den totala massan av lågaktiveringsstålet är: matrisen är 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 % och 0,05 % ≤ Y₂O₃ ≤ 0,5 %.
Tillverkningsprocess: Smältning av Fe-Cr-WV-Ta-Mn-moderlegering, pulverförstoftning, högenergikulmalning av moderlegeringen ochY2O3 nanopartikelblandat pulver, pulverhöljesextraktion, stelningsgjutning, varmvalsning och värmebehandling.
Metod för tillsats av sällsynta jordartsmetaller: Tillsätt nanoskalaY2O3partiklar till moderlegeringens finfördelade pulver för högenergikulmalning, varvid kulmalningsmediet är Φ 6 och Φ 10 blandade hårda stålkulor, med en kulmalningsatmosfär av 99,99 % argongas, ett massförhållande för kulmaterialet på (8-10): 1, en kulmalningstid på 40-70 timmar och en rotationshastighet på 350-500 r/min.
3). Används för att tillverka material mot neutronstrålning
① Principen för neutronstrålningsskydd
Neutroner är komponenter i atomkärnor, med en statisk massa på 1,675 × 10⁻²⁶ kg, vilket är 1838 gånger elektronmassan. Dess radie är ungefär 0,8 × 10⁻²⁶ m, ungefär lika stor som en proton, ungefär som γ-strålar är lika oladdade. När neutroner växelverkar med materia, växelverkar de huvudsakligen med kärnkrafterna inuti kärnan och växelverkar inte med elektronerna i det yttre skalet.
Med den snabba utvecklingen av kärnenergi och kärnreaktorteknik har allt mer uppmärksamhet ägnats åt säkerhet vid kärnstrålning och strålskydd. För att stärka strålskyddet för operatörer som länge har arbetat med underhåll av strålutrustning och olycksräddning är det av stor vetenskaplig betydelse och ekonomiskt värde att utveckla lätta skärmande kompositer för skyddskläder. Neutronstrålning är den viktigaste delen av kärnreaktorstrålning. Generellt sett har de flesta neutroner i direkt kontakt med människor bromsats ner till lågenergineutroner efter neutronskärmningseffekten av strukturmaterialen inuti kärnreaktorn. Lågenergeneutroner kommer att kollidera elastiskt med kärnor med lägre atomnummer och fortsätta att modereras. De modererade termiska neutronerna kommer att absorberas av element med större neutronabsorptionstvärsnitt, och slutligen kommer neutronskärmning att uppnås.
② Viktig patentstudie
De porösa och organisk-oorganiska hybridegenskaperna hossällsynt jordartsmetallgadoliniumMetallbaserade organiska skelettmaterial ökar sin kompatibilitet med polyeten, vilket gör att syntetiserade kompositmaterial får högre gadoliniumhalt och gadoliniumdispersion. Den höga gadoliniumhalten och -dispersionen påverkar direkt kompositmaterialens neutronskyddsprestanda.
Nyckelpatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, uppfinningspatent för ett gadoliniumbaserat organiskt ramverkskompositskyddsmaterial och dess framställningsmetod
Patentsammanfattning: Gadoliniumbaserat metallorganiskt skelettkompositskyddsmaterial är ett kompositmaterial som bildas genom blandninggadoliniumGadoliniumbaserat metallorganiskt skelettmaterial med polyeten i viktförhållandet 2:1:10 och formning genom lösningsmedelsavdunstning eller varmpressning. Gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskyddsmaterial har hög termisk stabilitet och termisk neutronskyddsförmåga.
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 hög temperatur under vakuumförhållanden för att helt avlägsna kvarvarande oreagerade råmaterial i porerna i de gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterialen; Det gadoliniumbaserade organometalliska skelettmaterialet som framställts i steg omrörs med polyetenlotion vid hög hastighet, eller ultraljuds, eller så smältblandas det gadoliniumbaserade organometalliska skelettmaterialet som framställts i steg med polyeten med ultrahög molekylvikt vid hög temperatur tills det är helt blandat; Placera den jämnt blandade gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterialet/polyetenblandningen i formen, och erhåll det bildade gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskyddsmaterialet genom torkning för att främja lösningsmedelsavdunstning eller varmpressning; Det framställda gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskyddsmaterialet har avsevärt förbättrad värmebeständighet, mekaniska egenskaper och överlägsen termisk neutronskyddsförmåga jämfört med rena polyetenmaterial.
Additionssätt för sällsynta jordartsmetaller: Gd2 (BHC) (H2O)6, Gd (BTC) (H2O)4 eller Gd (BDC)1.5 (H2O)2 porös kristallin koordinationspolymer innehållande 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 kärnkraftsindustrin
Skandiummetallen har god termisk stabilitet och stark fluorabsorptionsförmåga, vilket gör den till ett oumbärligt material inom atomenergiindustrin.
Nyckelpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uppfinningspatent för en aluminiumzinkmagnesiumskandiumlegering och dess framställningsmetod
Patentsammanfattning: En aluminiumzinkmagnesiumskandiumlegeringoch dess framställningsmetod. Den kemiska sammansättningen och viktprocenten för aluminium-zink-magnesium-skandiumlegeringen är: Mg 1,0 % -2,4 %, Zn 3,5 % -5,5 %, Sc 0,04 % -0,50 %, Zr 0,04 % -0,35 %, föroreningar Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, andra föroreningar enstaka ≤ 0,05 %, andra föroreningar totalt ≤ 0,15 %, och den återstående mängden är Al. Mikrostrukturen hos detta aluminium-zink-magnesium-skandiumlegeringsmaterial är enhetlig och dess prestanda är stabil, med en draghållfasthet på över 400 MPa, en sträckgräns på över 350 MPa och en draghållfasthet på över 370 MPa för svetsade fogar. Materialprodukterna kan användas som strukturella element inom flyg- och rymdindustrin, kärnkraftsindustrin, transport, sportartiklar, vapen och andra områden.
Tillverkningsprocess: Steg 1, ingredienser enligt ovanstående legeringskomposition; Steg 2: Smält i smältugnen vid en temperatur på 700 ℃ ~ 780 ℃; Steg 3: Raffinera den helt smälta metallvätskan och håll metalltemperaturen inom intervallet 700 ℃ ~ 750 ℃ under raffineringen; Steg 4: Efter raffineringen bör den stå helt stilla; Steg 5: Efter att ha fått stå helt, börja gjuta, håll ugnstemperaturen inom intervallet 690 ℃ ~ 730 ℃, och gjuthastigheten är 15-200 mm/minut; Steg 6: Utför homogeniseringsglödgningsbehandling på legeringsgötet i värmeugnen, med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Steg 7: Dra av det homogeniserade götet och utför varm extrudering för att producera profiler med en väggtjocklek på över 2,0 mm. Under extruderingsprocessen bör ämnet hållas vid en temperatur på 350 ℃ till 410 ℃; Steg 8: Krama profilen för lösningssläckningsbehandling, med en lösningstemperatur på 460-480 ℃; Steg 9: Efter 72 timmars kylning i fast lösning, forcera åldring manuellt. Det manuella forcerade åldringssystemet är: 90~110 ℃/24 timmar + 170~180 ℃/5 timmar, eller 90~110 ℃/24 timmar + 145~155 ℃/10 timmar.
5. Forskningssammanfattning
Sammantaget används sällsynta jordartsmetaller flitigt inom kärnfusion och kärnklyvning, och har många patent inom tekniska områden som röntgenexcitering, plasmabildning, lättvattenreaktorer, transuraner, uranyl och oxidpulver. När det gäller reaktormaterial kan sällsynta jordartsmetaller användas som reaktorstrukturmaterial och relaterade keramiska isoleringsmaterial, kontrollmaterial och material för neutronstrålning.
Publiceringstid: 26 maj 2023