Uwendung vu seltenen Äerdelementer an Nuklearmaterialien

1. Definitioun vun nuklearen Materialien

Am breede Sënn ass nukleart Material den allgemenge Begrëff fir Materialien, déi ausschliisslech an der Nuklearindustrie an an der nuklearwëssenschaftlecher Fuerschung benotzt ginn, dorënner Nuklearbrennstoff a Materialien aus dem Nuklearbau, also net-nuklear Brennstoffmaterialien.

Déi allgemeng als nuklear Materialien bezeechent Materialien bezéie sech haaptsächlech op Materialien, déi a verschiddenen Deeler vum Reaktor benotzt ginn, och bekannt als Reaktormaterialien. Zu de Reaktormaterialien gehéieren nuklear Brennstoff, deen ënner Neutronenbombardement enger Kärspaltung ënnerworf ass, Verkleedungsmaterialien fir nuklear Brennstoffkomponenten, Killmëttel, Neutronenmoderatoren (Moderatoren), Kontrollstangmaterialien, déi Neutronen staark absorbéieren, a reflektiv Materialien, déi Neutronenleckage ausserhalb vum Reaktor verhënneren.

2. Koassociéiert Bezéiung tëscht seltenen Äerdressourcen an nuklearen Ressourcen

Monazit, och Phosphocerit a Phosphocerit genannt, ass e verbreeten Accessoiremineral a sauren, magmatesche Gestengs a metamorphe Gestengs. Monazit ass ee vun den Haaptmineraler vum Äerz vu seltenen Äerdmetaller a gëtt et och a verschiddene Sedimentgestengs. Bronglech rout, giel, heiansdo bronglech giel, mat engem fettege Glanz, kompletter Spaltung, Mohs-Härkeet vu 5-5,5 an enger spezifescher Dicht vu 4,9-5,5.

Dat wichtegst Äerzmineral vu verschiddene Placer-Typ-Seltenerdereserven a China ass Monazit, deen haaptsächlech zu Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan an He County, Guangxi, läit. D'Extraktioun vu Placer-Typ-Seltenerderessourcen huet awer dacks keng wirtschaftlech Bedeitung. Solitäre enthalen dacks reflexiv Thoriumelementer a sinn och déi Haaptquell vu kommerziellem Plutonium.

3. Iwwersiicht iwwer d'Uwendung vu seltenen Äerdmetaller an der Kärfusioun an der Kärspaltung baséiert op enger patentéierter panoramescher Analyse.

Nodeems d'Schlësselwierder vun de Sichelementer fir rar Äerdmetaller vollstänneg erweidert sinn, gi se mat den Expansiounsschlësselen an den Klassifikatiounsnummeren vun der Kärspaltung an der Kärfusioun kombinéiert a an der Incopt-Datebank duerchsicht. Den Sichdatum ass den 24. August 2020. 4837 Patenter goufen no enger einfacher Familljefusioun kritt, an 4673 Patenter goufen no künstlecher Rauschreduktioun bestëmmt.

Patentufroe fir selten Äerdmetaller am Beräich vun der Kärspaltung oder Kärfusioun sinn a 56 Länner/Regiounen verdeelt, haaptsächlech konzentréiert a Japan, China, den USA, Däitschland a Russland, etc. Eng beträchtlech Zuel vu Patenter gëtt a Form vu PCT ugefrot, vun deenen d'Zuel vun de chinesesche Patentufroe fir Technologie zougeholl huet, besonnesch zënter 2009, wou se an eng séier Wuesstemsphase agaange sinn, a Japan, d'USA a Russland hunn sech zënter ville Joren an dësem Beräich weiderentwéckelt (Figur 1).

Figur 1 Uwendungstrend vun Technologiepatenter am Zesummenhang mat der Uwendung vu seltenen Äerdmetaller an der Kärspaltung an der Kärfusioun a Länner/Regiounen

Aus der Analyse vun techneschen Themen kann een erkennen, datt d'Uwendung vu seltenen Äerdmetaller an der Kärfusioun an der Kärspaltung sech op Brennstoffelementer, Szintillatoren, Stralungsdetektoren, Aktiniden, Plasmaen, Kärreaktoren, Abschirmungsmaterialien, Neutronenabsorptioun an aner technesch Richtungen konzentréiert.

4. Spezifesch Uwendungen a Schlësselpatentfuerschung vu seltenen Äerdelementer an nuklearen Materialien

Dorënner sinn d'Kärfusioun an d'Kärspaltungsreaktiounen an nukleare Materialien intensiv, an d'Ufuerderunge fir d'Materialien si streng. Aktuell sinn d'Kraaftreaktoren haaptsächlech Kärspaltungsreaktoren, a Fusiounsreaktore kéinten no 50 Joer a grousser Skala populär ginn. D'Uwendung vunrar ÄerdElementer a Reaktorstrukturmaterialien; A spezifesche Beräicher vun der nuklearer chemescher Technologie ginn selten Äerdelementer haaptsächlech a Kontrollstangen benotzt; Zousätzlech,Skandiumgouf och an der Radiochemie an an der Nuklearindustrie benotzt.

(1) Als brennbart Gëft oder Kontrollstang fir den Neutronenniveau an de kriteschen Zoustand vun engem Atomreaktor unzepassen

A Kraaftreaktoren ass déi initial Reschtreaktivitéit vun neie Kären am Allgemengen relativ héich. Besonnesch an den fréie Phasen vum éischten Optankzyklus, wann all Atombrennstoff am Kär nei ass, ass déi Reschtreaktivitéit am héchsten. Zu dësem Zäitpunkt géif d'Vertraue sech eleng op d'Erhéijung vun de Kontrollstangen fir d'Reschtreaktivitéit ze kompenséieren, méi Kontrollstangen aféieren. All Kontrollstang (oder Stangebündel) entsprécht der Aféierung vun engem komplexe Undriffsmechanismus. Op der enger Säit erhéicht dat d'Käschten, an op der anerer Säit kann d'Ouverture vu Lächer am Drockbehälterkapp zu enger Ofsenkung vun der struktureller Stäerkt féieren. Et ass net nëmmen onwirtschaftlech, mee et ass och net erlaabt, eng gewësse Porositéit a Strukturstäerkt um Drockbehälterkapp ze hunn. Ouni d'Erhéijung vun de Kontrollstangen ass et awer néideg, d'Konzentratioun vu chemesche kompenséierende Gëftstoffer (wéi Borsäure) ze erhéijen, fir déi Reschtreaktivitéit ze kompenséieren. An dësem Fall ass et einfach, datt d'Borkonzentratioun de Schwellwäert iwwerschreit, an den Temperaturkoeffizient vum Moderator gëtt positiv.

Fir déi uewe genannte Problemer ze vermeiden, kann allgemeng eng Kombinatioun vu brennbare Gëftstoffer, Kontrollstangen a chemescher Kompensatiounskontroll fir d'Kontroll benotzt ginn.

(2) Als Dotierstoff fir d'Leeschtung vu Reaktorstrukturmaterialien ze verbesseren

Reaktoren erfuerderen strukturell Komponenten a Brennstoffelementer, déi e gewësse Grad u Festigkeit, Korrosiounsbeständegkeet an héijer thermescher Stabilitéit hunn, wärend se gläichzäiteg verhënnert ginn, datt Spaltungsprodukter an de Killmëttel kommen.

1) .Selten Äerdstahl

Den Atomreaktor huet extrem physikalesch a chemesch Bedéngungen, an all Komponent vum Reaktor stellt och héich Ufuerderungen un de spezielle Stol, deen benotzt gëtt. Selten Äerdmetaller hunn speziell Modifikatiounseffekter op Stol, haaptsächlech dorënner Reinigung, Metamorphismus, Mikrolegierung a Verbesserung vun der Korrosiounsbeständegkeet. Stol mat Selten Äerdmetaller ginn och wäit verbreet an Atomreaktoren benotzt.

① Reinigungseffekt: Déi aktuell Fuerschung huet gewisen, datt selten Äerdmetaller e gudde Reinigungseffekt op geschmoltenem Stol bei héijen Temperaturen hunn. Dëst läit dorun, datt selten Äerdmetaller mat schiedlechen Elementer wéi Sauerstoff a Schwefel am geschmoltenem Stol reagéiere kënnen, fir Héichtemperaturverbindungen ze generéieren. D'Héichtemperaturverbindunge kënnen a Form vun Inklusiounen ausgefällt an ofgelooss ginn, ier de geschmoltenem Stol kondenséiert, wouduerch den Unreinheetsgehalt am geschmoltenem Stol reduzéiert gëtt.

② Metamorphismus: op der anerer Säit kënnen d'Oxiden, Sulfiden oder Oxysulfiden, déi duerch d'Reaktioun vu seltenen Äerdmetaller am geschmoltenen Stol mat schiedlechen Elementer wéi Sauerstoff a Schwefel entstinn, deelweis am geschmoltenen Stol zréckgehale ginn a sech zu Inklusiounen aus Stol mat héijem Schmelzpunkt bilden. Dës Inklusiounen kënnen als heterogen Keimbildungszentren während der Erstarrung vum geschmoltenen Stol benotzt ginn, wouduerch d'Form a Struktur vum Stol verbessert gëtt.

③ Mikrolegierung: Wann d'Zousätzlech vun de seltenen Äerden weider erhéicht gëtt, gëtt déi reschtlech selten Äerd am Stol opgeléist nodeems déi uewe genannte Reinigung an de Metamorphismus ofgeschloss sinn. Well den Atomradius vun de seltenen Äerden méi grouss ass wéi dee vum Eisenatom, huet déi selten Äerd eng méi héich Uewerflächenaktivitéit. Wärend dem Erstarrungsprozess vum geschmollte Stol ginn d'Selten Äerden op der Käregrenz beräichert, wat d'Trennung vun Ongereinheetselementer op der Käregrenz besser reduzéiere kann, wouduerch déi fest Léisung gestäerkt gëtt an d'Roll vun der Mikrolegierung spillt. Op der anerer Säit, wéinst de Waasserstoffspäicherchseigenschaften vun de seltenen Äerden, kënne si Waasserstoff am Stol absorbéieren, wouduerch de Waasserstoffversprëdegungsphänomen vum Stol effektiv verbessert gëtt.

④ Verbesserung vun der Korrosiounsbeständegkeet: D'Zousätzlech vu seltenen Äerdmetaller kann och d'Korrosiounsbeständegkeet vu Stol verbesseren. Dëst läit dorun, datt selten Äerdmetaller e méi héicht Selbstkorrosiounspotenzial hunn ewéi Edelstol. Dofir kann d'Zousätzlech vu seltenen Äerdmetaller d'Selbstkorrosiounspotenzial vun Edelstol erhéijen an doduerch d'Stabilitéit vum Stol a korrosive Medien verbesseren.

2). Schlësselpatentstudie

Schlësselpatent: Erfindungspatent vun engem mat Oxiddispersioun verstäerkten niddregaktivéierte Stol a senger Virbereedungsmethod vum Institut fir Metaller, Chinesesch Akademie vun de Wëssenschaften

Patentresumé: Et gëtt e mat Oxiddispersioun verstäerkte Stahl mat niddreger Aktivatioun virgestallt, deen fir Fusiounsreaktoren gëeegent ass, an seng Virbereedungsmethod, charakteriséiert doduerch, datt de Prozentsaz vun de Legierungselementer an der Gesamtmass vum Stahl mat niddreger Aktivatioun ass: d'Matrix ass 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%, an 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Fabrikatiounsprozess: Schmelze vun der Fe-Cr-WV-Ta-Mn Mammelegierung, Pulverzerstaubung, Héichenergie-Kugelfräsen vun der Mammelegierung anY2O3 Nanopartikelgemëschte Pulver, Pulverhüllungsextraktioun, Erstarrungsformen, waarmwalzen an Hëtzebehandlung.

Method fir d'Additioun vun seltenen Äerden: Nanoskala derbäisetzenY2O3Partikelen zum atomiséierte Pulver aus der Mammelegierung fir héichenergetescht Kugelfräsen, woubei de Kugelfräsmedium aus gemëschte Stolkugelen mat Φ 6 an Φ 10 besteet, mat enger Kugelfräsatmosphär aus 99,99% Argongas, engem Masseverhältnis vum Kugelmaterial vun (8-10): 1, enger Fräszäit vu 40-70 Stonnen an enger Rotatiounsgeschwindegkeet vun 350-500 r/min.

3). Benotzt fir d'Produktioun vu Materialien géint Neutronenstrahlungsschutz

① Prinzip vum Neutronestrahlungsschutz

Neutrone si Komponente vun Atomkären, mat enger statescher Mass vun 1,675 × 10⁻⁶⁶ kg, wat dat 1838-fache vun der elektronescher Mass ass. Säi Radius ass ongeféier 0,8 × 10⁻⁶⁶ m, ähnlech a Gréisst wéi e Proton, ähnlech wéi γ-Strahlen sinn gläichermoossen ongelueden. Wann Neutrone mat Matière interagéieren, interagéiere si haaptsächlech mat den Atomkräften am Kär, an net mat den Elektronen an der baussenzeger Schuel.

Mat der schneller Entwécklung vun der Nuklearenergie an der Technologie vun den Atomreaktoren gëtt ëmmer méi Opmierksamkeet op d'Sécherheet vun der Nuklearstrahlung an de Schutz vun der Nuklearstrahlung geriicht. Fir de Stralungsschutz fir Bedreiwer ze stäerken, déi laang Zäit an der Ënnerhaltung vu Stralungsausrüstung an der Rettung bei Accidenter aktiv sinn, ass et vu grousser wëssenschaftlecher Bedeitung an ekonomeschem Wäert, liicht Schutzkomposite fir Schutzkleedung z'entwéckelen. Neutronenstralung ass den wichtegsten Deel vun der Stralung vun den Atomreaktoren. Am Allgemengen sinn déi meescht Neutronen, déi a direktem Kontakt mat Mënsche kommen, no der Ofschirmungseffekt vun de Strukturmaterialien am Atomreaktor op Energieneutronen mat niddereger Energie ofgebremst ginn. Energieneutronen mat niddereger Atomzuel kollidéieren elastesch mat Kären mat enger méi niddereger Atomzuel a ginn weider moderéiert. Déi moderéiert thermesch Neutronen ginn vun Elementer mat gréisseren Neutronenabsorptiounsquerschnitt absorbéiert, an schliisslech gëtt en Neutronenofschirm erreecht.

② Schlësselpatentstudie

Déi poréis an organesch-anorganesch Hybrideigenschaften vunselten ÄerdelementGadoliniumMetallbaséiert organescht Skelettmaterialien erhéijen hir Kompatibilitéit mat Polyethylen, wouduerch déi synthetiséiert Kompositmaterialien zu engem méi héije Gadoliniumgehalt an enger Gadoliniumdispersioun féieren. Den héije Gadoliniumgehalt an d'Dispersioun beaflossen direkt d'Neutronenabschirmungsleistung vun de Kompositmaterialien.

Schlësselpatent: Hefei Institut fir Materialwëssenschaft, Chinesesch Akademie vun de Wëssenschaften, Erfindungspatent vun engem organesche Rahmen-Komposit-Schutzmaterial op Basis vu Gadolinium a senger Virbereedungsmethod

Patentabstrakt: Gadoliniumbaséiert Metallorganescht Skelett-Komposit-Schirmmaterial ass e Kompositmaterial, dat duerch Mëschung geformt gëtt.Gadoliniumop Basis vu metallorganeschem Skelettmaterial mat Polyethylen an engem Gewiichtsverhältnis vun 2:1:10 a Formung duerch Léisungsmëttelverdampfung oder waarmt Pressen. Gadolinium-baséiert metallorganescht Skelett-Komposit-Schutzmaterialien hunn eng héich thermesch Stabilitéit an thermesch Neutronenabschirmungsfäegkeet.

Produktiounsprozess: Auswiel vun ënnerschiddlechenGadoliniummetallSalzer an organesche Liganden fir verschidden Aarte vu Gadolinium-baséierte Metallorganesche Skelettmaterialien ze preparéieren an ze synthetiséieren, se mat klenge Molekülle Methanol, Ethanol oder Waasser duerch Zentrifugatioun ze wäschen, an se bei héijer Temperatur ënner Vakuumbedingungen z'aktivéieren fir déi reschtlech net reagéiert Rohmaterialien an de Poren vun de Gadolinium-baséierte Metallorganesche Skelettmaterialien komplett ze entfernen; Dat Gadolinium-baséiert organometallescht Skelettmaterial, dat am Schrëtt preparéiert gëtt, gëtt mat Polyethylenlotioun mat héijer Geschwindegkeet oder Ultraschall geréiert, oder dat Gadolinium-baséiert organometallescht Skelettmaterial, dat am Schrëtt preparéiert gëtt, gëtt mat Polyethylen mat ultrahéichem Molekulargewiicht bei héijer Temperatur geschmolzgemëscht bis et komplett gemëscht ass; Setzt déi gläichméisseg gemëscht Gadolinium-baséiert Metallorganesche Skelettmaterial/Polyethylen-Mëschung an d'Form, a kritt dat geformt Gadolinium-baséiert Metallorganesche Skelett-Komposit-Schutzmaterial duerch Trocknung fir d'Léisungsmëttelverdampfung oder d'Warmpressung ze förderen; Dat preparéiert Gadolinium-baséiert Metallorganesche Skelett-Komposit-Schutzmaterial huet eng däitlech verbessert Hëtztbeständegkeet, mechanesch Eegeschaften an eng iwwerleeën thermesch Neutronen-Schutzfäegkeet am Verglach mat pure Polyethylenmaterialien.

Additiounsmodus fir selten Äerdmetaller: Gd2 (BHC) (H2O)6, Gd (BTC) (H2O)4 oder Gd (BDC)1.5 (H2O)2 porösen kristalline Koordinatiounspolymer mat Gadolinium, deen duerch Koordinatiounspolymerisatioun vunGd(NO3)3 • 6H2O oder GdCl3 • 6H2Oan organesche Carboxylatligand; D'Gréisst vum organesche Metallskelettmaterial op Gadoliniumbasis ass 50 nm-2 μ m; organesche Metallskelettmaterialien op Gadoliniumbasis hunn ënnerschiddlech Morphologien, dorënner granulär, staaffërmeg oder nadelfërmeg Formen.

(4) Uwendung vunSkandiuman der Radiochemie an der Nuklearindustrie

Scandiummetall huet eng gutt thermesch Stabilitéit a staark Fluorabsorptiounsleistung, wouduerch et zu engem onverzichtbare Material an der Atomenergieindustrie ass.

Schlësselpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, Erfindungspatent fir eng Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierung an hir Virbereedungsmethod

Patentabstrakt: En AluminiumzinkMagnesium-Scandium-Legierungan hir Virbereedungsmethod. Déi chemesch Zesummesetzung an de Gewiichtsprozentsaz vun der Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierung sinn: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, Ongereinheeten Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, aner Ongereinheeten eenzel ≤ 0,05%, aner Ongereinheeten am Ganzen ≤ 0,15%, an de Rescht ass Al. D'Mikrostruktur vun dësem Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierungsmaterial ass gläichméisseg a seng Leeschtung ass stabil, mat enger maximaler Zuchfestigkeit vun iwwer 400 MPa, enger Streckgrenz vun iwwer 350 MPa, an enger Zuchfestigkeit vun iwwer 370 MPa fir geschweesste Verbindungen. D'Materialprodukter kënnen als Strukturelementer an der Loft- a Raumfaart, der Nuklearindustrie, dem Transport, Sportartikelen, Waffen an anere Beräicher benotzt ginn.

Fabrikatiounsprozess: Schrëtt 1, Zutaten no der uewe genannter Legierungszesummesetzung; Schrëtt 2: Schmëlzt am Schmelzuewen bei enger Temperatur vun 700 ℃~780 ℃; Schrëtt 3: Raffinéiert déi komplett geschmollte Metallflëssegkeet, an hält d'Metalltemperatur am Beräich vun 700 ℃~750 ℃ ​​während der Raffinéierung; Schrëtt 4: Nom Raffinéiere soll et komplett stoe loossen; Schrëtt 5: Nodeems et komplett stoe bliwwen ass, fänkt mam Goss un, hält d'Uewentemperatur am Beräich vun 690 ℃~730 ℃, an d'Gossgeschwindegkeet ass 15-200mm/Minutt; Schrëtt 6: Féiert eng Homogeniséierungs-Glühbehandlung um Legierungsbarr am Heizuewen duerch, mat enger Homogeniséierungstemperatur vun 400 ℃~470 ℃; Schrëtt 7: Schielt den homogeniséierte Barr of a féiert eng waarm Extrusioun duerch fir Profiler mat enger Wanddicke vu méi wéi 2,0 mm ze produzéieren. Wärend dem Extrusiounsprozess soll de Billet bei enger Temperatur vun 350 ℃ bis 410 ℃ gehale ginn; Schrëtt 8: D'Profil fir d'Léisungsofkillbehandlung drécken, mat enger Léisungstemperatur vun 460-480 ℃; Schrëtt 9: No 72 Stonne Ofkille vun der fester Léisung, manuell d'Alterung forcéieren. De manuelle Alterungssystem ass: 90~110 ℃/24 Stonnen+170~180 ℃/5 Stonnen, oder 90~110 ℃/24 Stonnen+145~155 ℃/10 Stonnen.

5. Fuerschungsresumé

Am Allgemengen gi selten Äerdmetaller wäit verbreet an der Kärfusioun an der Kärspaltung benotzt a si hunn vill Patentlaabnisser an technesche Richtungen wéi Röntgenexcitatioun, Plasmabildung, Liichtwaasserreaktor, Transuran, Uranyl an Oxidpulver. Wat Reaktormaterialien ugeet, kënne selten Äerdmetaller als Reaktorstrukturmaterialien a verwandte Keramik-Isolatiounsmaterialien, Kontrollmaterialien a Materialien géint Neutronestrahlung benotzt ginn.