1、 Definition av kärnmaterial
I vid bemärkelse är kärnmaterial den allmänna termen för material som uteslutande används inom kärnkraftsindustrin och kärnvetenskaplig forskning, inklusive kärnbränsle och kärntekniska material, dvs icke-nukleära bränslematerial.
De allmänt hänvisade till kärnmaterial avser huvudsakligen material som används i olika delar av reaktorn, även känt som reaktormaterial.Reaktormaterial inkluderar kärnbränsle som genomgår kärnklyvning under neutronbombardement, kapslingsmaterial för kärnbränslekomponenter, kylmedel, neutronmoderatorer (moderatorer), styrstavsmaterial som kraftigt absorberar neutroner och reflekterande material som förhindrar neutronläckage utanför reaktorn.
2、 Samassocierat förhållande mellan sällsynta jordartsresurser och kärnkraftsresurser
Monazit, även kallad fosfocerit och fosfocerit, är ett vanligt tillbehörsmineral i mellanliggande sura magmatiska bergarter och metamorfa bergarter.Monazit är ett av huvudmineralerna i sällsynt jordartsmetallmalm och finns 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 huvudsakliga malmmineralet i vissa avlagringar av sällsynta jordartsmetaller i Kina är monazit, huvudsakligen beläget i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan och He County, Guangxi.Utvinningen av sällsynta jordartsmetaller av placertyp har dock ofta ingen ekonomisk betydelse.Solitära stenar innehåller ofta reflexiva toriumelement och är också den huvudsakliga källan till kommersiellt plutonium.
3、 Översikt över tillämpningar av sällsynta jordartsmetaller vid kärnfusion och kärnklyvning baserad på patent panoramaanalys
Efter att nyckelorden för sökelement för sällsynta jordartsmetaller har utökats helt, kombineras de med expansionsnycklarna och klassificeringsnumren för kärnklyvning och kärnfusion, och söks i databasen Incopt.Sökdatumet är den 24 augusti 2020. 4837 patent erhölls efter enkel familjesammanslagning och 4673 patent fastställdes efter artificiell brusreducering.
Patentansökningar för sällsynta jordartsmetaller inom området kärnklyvning eller kärnfusion är distribuerade i 56 länder/regioner, huvudsakligen koncentrerade till Japan, Kina, USA, Tyskland och Ryssland, etc. Ett stort antal patent ansöks i form av PCT , av vilka kinesiska patentansökningar har ökat, särskilt sedan 2009, och går in i ett snabbt tillväxtfas, och Japan, USA och Ryssland har fortsatt att utforma inom detta område under många år (Figur 1).
Figur 1 Ansökningstrend för teknologipatent relaterade till tillämpning av sällsynta jordartsmetaller vid kärnklyvning och kärnfusion i länder/regioner
Det kan ses från analysen av tekniska teman att tillämpningen av sällsynta jordartsmetaller i kärnfusion och kärnklyvning fokuserar på bränsleelement, scintillatorer, strålningsdetektorer, aktinider, plasma, kärnreaktorer, skärmningsmaterial, neutronabsorption och andra tekniska riktningar.
4、 Specifika tillämpningar och nyckelpatentforskning av sällsynta jordartsmetaller i kärnmaterial
Bland dem är kärnfusions- 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 avsällsynt jordelement i reaktorkonstruktionsmaterial;Inom specifika kärnkemiska områden används sällsynta jordartsmetaller huvudsakligen i kontrollstavar;Dessutom,skandiumhar även använts inom radiokemi och kärnkraftsindustri.
（1） Som brännbart gift eller kontrollstav för att justera neutronnivån och kärnreaktorns kritiska tillstånd
I kraftreaktorer är den initiala restreaktiviteten för nya kärnor i allmänhet 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 enbart förlita sig på ökande kontrollstavar för att kompensera för kvarvarande reaktivitet introducera fler kontrollstavar.Varje styrstav (eller stavbunt) motsvarar införandet av en komplex drivmekanism.Å ena sidan ökar kostnaderna, och å andra sidan kan öppning av hål i tryckkärlshuvudet leda till minskad strukturell styrka.Det är inte bara oekonomiskt, det är inte heller tillåtet att ha en viss porositet och strukturell styrka på tryckkärlets huvud.Men utan att öka kontrollstavarna är det nödvändigt att öka koncentrationen av kemiskt kompenserande toxiner (såsom borsyra) för att kompensera för den återstående reaktiviteten.I det här fallet är det lätt att borkoncentrationen överskrider tröskeln, och moderatorns temperaturkoefficient blir positiv.
För att undvika ovannämnda problem kan en kombination av brännbara toxiner, kontrollstavar och kemisk kompensationskontroll i allmänhet användas för kontroll.
（2） Som dopningsmedel för att förbättra prestandan hos reaktorstrukturmaterial
Reaktorer kräver att strukturella komponenter och bränsleelement har en viss nivå av styrka, korrosionsbeständighet och hög termisk stabilitet, samtidigt som de förhindrar att klyvningsprodukter kommer in i kylvätskan.
1) .Sällsynt jordartsmetall
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, metamorfos, mikrolegering och förbättring av korrosionsbeständigheten.Stål som innehåller sällsynta jordartsmetaller används också i stor utsträckning i kärnreaktorer.
① Reningseffekt: Befintlig forskning har visat att sällsynta jordartsmetaller har en bra reningseffekt på smält stål vid höga temperaturer.Detta beror på att sällsynta jordartsmetaller kan reagera med skadliga grundämnen som 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 kondenserar och därigenom minska föroreningshalten i det smälta stålet.
② Metamorfism: å andra sidan kan de oxider, sulfider eller oxisulfider som genereras genom reaktionen av sällsynta jordartsmetaller i det smälta stålet med skadliga element som syre och svavel delvis kvarhållas 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 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 metamorfosering är klar.Eftersom atomradien för sällsynta jordartsmetaller är större än järnatomens, har sällsynta jordartsmetaller högre ytaktivitet.Under stelningsprocessen av smält stål anrikas sällsynta jordartsmetaller vid korngränsen, vilket bättre kan minska segregeringen av föroreningselement vid korngränsen, vilket stärker den fasta lösningen och spelar rollen som mikrolegering.Å andra sidan, på grund av vätelagringsegenskaperna hos sällsynta jordartsmetaller, kan de absorbera väte i stål och därigenom effektivt förbättra stålets väteförsprödningsfenomen.
④ Förbättring av korrosionsbeständigheten: Tillägget av sällsynta jordartsmetaller kan också förbättra korrosionsbeständigheten hos stål.Detta beror på att sällsynta jordartsmetaller har en högre självkorrosionspotential än rostfritt stål.Därför kan tillsatsen av sällsynta jordartsmetaller öka självkorrosionspotentialen hos rostfritt stål och därigenom förbättra stålets stabilitet i korrosiva medier.
2).Nyckelpatentstudie
Nyckelpatent: uppfinningspatent på ett oxiddispersionsförstärkt lågaktiveringsstål och dess framställningsmetod av Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Patentsammandrag: 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 %, 0,1 O3 ≤ 0,5 % .
Tillverkningsprocess: Fe-Cr-WV-Ta-Mn moderlegeringssmältning, pulveratomisering, högenergikulfräsning av moderlegeringen ochY2O3 nanopartikelblandat pulver, pulveromslutningsextraktion, stelningsformning, varmvalsning och värmebehandling.
Metod för sällsynt jordartsmetall: Lägg till nanoskalaY2O3partiklar till det finfördelade pulvret för moderlegeringen för högenergikulmalning, där kulmalningsmediet är Φ 6 och Φ 10 blandade hårda stålkulor, med en kulmalningsatmosfär på 99,99 % argongas, ett massförhållande för kulmaterial på (8- 10): 1, en kulmalningstid på 40-70 timmar och en rotationshastighet på 350-500 r/min.
3）. Används för att tillverka neutronstrålningsskyddsmaterial
① Principen för neutronstrålningsskydd
Neutroner är komponenter i atomkärnor, med en statisk massa på 1,675 × 10-27 kg, vilket är 1838 gånger den elektroniska massan.Dess radie är ungefär 0,8 × 10-15m, lika stor som en proton, liknande γ Strålar är lika oladdade.När neutroner interagerar med materia interagerar de huvudsakligen med kärnkrafterna inuti kärnan, och interagerar inte med elektronerna i det yttre skalet.
Med den snabba utvecklingen av kärnenergi och kärnreaktorteknik har mer och mer uppmärksamhet ägnats åt kärnstrålningssäkerhet och kärnstrålningsskydd.För att stärka strålskyddet för operatörer som sysslat med strålutrustningsunderhåll och olycksräddning under lång tid är det av stor vetenskaplig betydelse och ekonomiskt värde att utveckla lätta skärmningskompositer för skyddskläder.Neutronstrålning är den viktigaste delen av kärnreaktorstrålningen.I allmänhet har de flesta neutroner i direkt kontakt med människor bromsats ner till lågenergineutroner efter den neutronavskärmande effekten av strukturmaterialen inuti kärnreaktorn.Lågenergineutroner kommer elastiskt att kollidera med kärnor med lägre atomnummer och fortsätta att modereras.De modererade termiska neutronerna kommer att absorberas av element med större neutronabsorptionstvärsnitt, och slutligen kommer neutronavskärmning att uppnås.
② Nyckelpatentstudie
De porösa och organisk-oorganiska hybridegenskaperna hossällsynt jordartsmetallgadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterial ökar sin kompatibilitet med polyeten, vilket främjar de syntetiserade kompositmaterialen att ha högre gadoliniumhalt och gadoliniumdispersion.Den höga gadoliniumhalten och dispersionen kommer direkt att påverka kompositmaterialens neutronavskärmningsprestanda.
Nyckelpatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, uppfinningspatent för ett gadoliniumbaserat organiskt ramkompositskyddsmaterial och dess beredningsmetod
Patentsammandrag: Gadoliniumbaserat metallorganiskt skelettkompositskyddsmaterial är ett kompositmaterial som bildas genom blandninggadoliniumbaserat metallorganiskt skelettmaterial med polyeten i viktförhållandet 2:1:10 och forma det genom lösningsmedelsavdunstning eller varmpressning.Gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositavskärmningsmaterial har hög termisk stabilitet och termisk neutronavskärmningsförmåga.
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 resterande oreagerade råmaterial i porerna i de gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterialen;Det gadoliniumbaserade organometalliska skelettmaterialet som framställts i steg omrörs med polyetenlotion vid hög hastighet eller ultraljud, eller så smältblandas det gadoliniumbaserade organometalliska skelettmaterialet med ultrahög molekylviktspolyeten vid hög temperatur tills det är helt blandat;Placera det likformigt blandade gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterialet/polyetenblandningen i formen och erhåll det bildade gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositmaterialet genom att torka för att främja lösningsmedelsavdunstning eller varmpressning;Det förberedda gadoliniumbaserade metallorganiska skelettkompositskyddsmaterialet har avsevärt förbättrad värmebeständighet, mekaniska egenskaper och överlägsen termisk neutronavskärmningsförmåga jämfört med rena polyetenmaterial.
Tillsatsläge 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 gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterial är 50nm-2 μm; Gadoliniumbaserade metallorganiska skelettmaterial har olika morfologier, inklusive granulära, stavformade eller nålformade former.
（4） Tillämpning avSkandiuminom radiokemi och kärnkraftsindustri
Scandium metal har god termisk stabilitet och stark fluorabsorptionsförmåga, vilket gör den till ett oumbärligt material i atomenergiindustrin.
Nyckelpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uppfinningspatent för en aluminiumzinkmagnesiumskandiumlegering och dess beredningsmetod
Patentabstrakt: En zink av aluminiummagnesium scandium legeringoch dess beredningsmetod.Den kemiska sammansättningen och viktprocenten för aluminiumzinkmagnesiumskandiumlegeringen 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 %, övriga 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 slutlig draghållfasthet på över 400 MPa, en sträckgräns på över 350 MPa och en draghållfasthet på över 370 MPa för svetsfogar.Materialprodukterna kan användas som strukturella element inom flyg-, kärnkraftsindustri, transport, sportartiklar, vapen och andra områden.
Tillverkningsprocess: Steg 1, ingrediens enligt ovanstående legeringssammansättning;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 ska den få stå helt stilla;Steg 5: Efter att ha stått 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: Skala det homogeniserade götet och utför het 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: Kläm ihop profilen för lösningssläckningsbehandling, med en lösningstemperatur på 460-480 ℃;Steg 9: Efter 72 timmars släckning av fast lösning, tvinga manuellt åldring.Det manuella kraftåldringssystemet är: 90~110 ℃/24 timmar+170~180 ℃/5 timmar, eller 90~110 ℃/24 timmar+145~155 ℃/10 timmar.
5、 Forskningssammanfattning
På det hela taget används sällsynta jordartsmetaller i stor utsträckning vid kärnfusion och kärnklyvning, och har många patentlayouter i sådana tekniska riktningar som röntgenexcitation, plasmabildning, lättvattenreaktor, transuran, uranyl och oxidpulver.När det gäller reaktormaterial kan sällsynta jordartsmetaller användas som reaktorkonstruktionsmaterial och relaterade keramiska isoleringsmaterial, styrmaterial och neutronstrålningsskyddsmaterial.
Posttid: 26 maj 2023