Apliko de Raraj Terelementoj en Nukleaj Materialoj

1. Difino de Nukleaj Materialoj

En larĝa senco, nuklea materialo estas la ĝenerala termino por materialoj uzataj ekskluzive en la nuklea industrio kaj nuklea scienca esplorado, inkluzive de nuklea fuelo kaj nukleaj inĝenieraj materialoj, t.e. ne-nukleaj fuelaj materialoj.

La ofte nomataj nukleaj materialoj ĉefe rilatas al materialoj uzataj en diversaj partoj de la reaktoro, ankaŭ konataj kiel reaktoraj materialoj. Reaktoraj materialoj inkluzivas nuklean fuelon, kiu spertas nuklean fision sub neŭtrona bombado, tegaĵajn materialojn por nukleaj fuelaj komponantoj, fridigaĵojn, neŭtronajn moderigaĵojn (moderigilojn), kontrolstangajn materialojn, kiuj forte absorbas neŭtronojn, kaj reflektajn materialojn, kiuj malhelpas neŭtronan elfluon ekster la reaktoro.

2. Kunrilata rilato inter raraj teraj resursoj kaj nukleaj resursoj

Monazito, ankaŭ nomata fosfocerito kaj fosfocerito, estas ofta akcesora mineralo en mezacida magma roko kaj metamorfa roko. Monazito estas unu el la ĉefaj mineraloj de raratera metalerco, kaj ankaŭ ekzistas en iuj sedimentaj rokoj. Brunruĝa, flava, foje brunflava, kun grasa brilo, kompleta fendado, Mohs-malmoleco de 5-5,5, kaj specifa pezo de 4,9-5,5.

La ĉefa ercmineralo de iuj lavrotipaj rarateraj deponejoj en Ĉinio estas monazito, ĉefe situanta en Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunano, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Junano, kaj la distrikto He, Guangxi. Tamen, la ekstraktado de lavrotipaj rarateraj resursoj ofte ne havas ekonomian signifon. Unuopaj ŝtonoj ofte enhavas refleksivajn toriajn elementojn kaj ankaŭ estas la ĉefa fonto de komerca plutonio.

3. Superrigardo pri aplikoj de raraj teroj en nuklea fuzio kaj nuklea fisio bazita sur patenta panorama analizo.

Post kiam la ŝlosilvortoj de rarateraj serĉelementoj estas plene vastigitaj, ili estas kombinitaj kun la vastigaj ŝlosiloj kaj klasifiknumeroj de nuklea fisio kaj nuklea fuzio, kaj serĉitaj en la Incopt-datumbazo. La serĉdato estas la 24-a de aŭgusto 2020. 4837 patentoj estis akiritaj post simpla familia kunfandiĝo, kaj 4673 patentoj estis determinitaj post artefarita bruoredukto.

Patentpetoj pri raraj teroj en la kampo de nuklea fisio aŭ nuklea fuzio estas distribuitaj en 56 landoj/regionoj, ĉefe koncentritaj en Japanio, Ĉinio, Usono, Germanio kaj Rusio, ktp. Konsiderinda nombro da patentoj estas aplikataj en la formo de PCT, el kiuj ĉinaj patentteknologiaj aplikoj kreskas, precipe ekde 2009, enirante rapidan kreskofazon, kaj Japanio, Usono kaj Rusio daŭre enspezas en ĉi tiu kampo dum multaj jaroj (Figuro 1).

Figuro 1 Aplika tendenco de teknologiaj patentoj rilataj al apliko de raraj teroj en nuklea fisio kaj nuklea fuzio en landoj/regionoj

El la analizo de teknikaj temoj videblas, ke la apliko de rara tero en nuklea fuzio kaj nuklea fisio fokusiĝas al fuelelementoj, scintililoj, radiaddetektiloj, aktinidoj, plasmoj, nukleaj reaktoroj, ŝirmaj materialoj, neŭtrona absorbo kaj aliaj teknikaj direktoj.

4. Specifaj Aplikoj kaj Ŝlosila Patenta Esploro de Raraj Terelementoj en Nukleaj Materialoj

Inter ili, nuklea fuzio kaj nuklea fisio-reakcioj en nukleaj materialoj estas intensaj, kaj la postuloj por materialoj estas striktaj. Nuntempe, elektrocentraloj estas ĉefe nukleaj fisio-reaktoroj, kaj fuziaj reaktoroj povus esti popularigitaj grandskale post 50 jaroj. La apliko derara teroelementoj en strukturaj materialoj de reaktoroj; En specifaj nukleaj kemiaj kampoj, raraj teraj elementoj estas ĉefe uzataj en reguligaj stangoj; Krome,skandioankaŭ estis uzata en radiokemio kaj nuklea industrio.

(1) Kiel brulema veneno aŭ kontrolstango por ĝustigi la neŭtronnivelon kaj la kritikan staton de nuklea reaktoro

En elektroreaktoroj, la komenca resta reagemo de novaj kernoj estas ĝenerale relative alta. Precipe en la fruaj stadioj de la unua benzinumada ciklo, kiam la tuta nuklea fuelo en la kerno estas nova, la restanta reagemo estas la plej alta. Ĉe tiu punkto, fidi nur je pliigo de stiraj stangoj por kompensi la restan reagemon enkondukus pli da stiraj stangoj. Ĉiu stira stango (aŭ stangofasko) respondas al la enkonduko de kompleksa pelmekanismo. Unuflanke, tio pliigas kostojn, kaj aliflanke, malfermi truojn en la premuja kapo povas konduki al malpliiĝo de struktura forto. Ne nur ĝi estas neekonomia, sed ankaŭ ne estas permesite havi certan kvanton da poreco kaj struktura forto sur la premuja kapo. Tamen, sen pliigo de la stiraj stangoj, necesas pliigi la koncentriĝon de kemiaj kompensaj toksinoj (kiel bora acido) por kompensi la restantan reagemon. En tiu kazo, estas facile por la borkoncentriĝo superi la sojlon, kaj la temperaturkoeficiento de la moderiganto fariĝos pozitiva.

Por eviti la supre menciitajn problemojn, kombinaĵo de brulemaj toksinoj, reguligaj stangoj kaj kemia kompenskontrolo ĝenerale povas esti uzata por kontrolo.

(2) Kiel dopanto por plibonigi la rendimenton de reaktoraj strukturaj materialoj

Reaktoroj postulas, ke strukturaj komponantoj kaj fuelelementoj havu certan nivelon de forto, korodrezisto kaj alta termika stabileco, samtempe malhelpante fisiproduktojn eniri la malvarmigaĵon.

1). Raratera ŝtalo

La nuklea reaktoro havas ekstremajn fizikajn kaj kemiajn kondiĉojn, kaj ĉiu komponanto de la reaktoro ankaŭ havas altajn postulojn por la speciala ŝtalo uzata. Rarateraj elementoj havas specialajn modifajn efikojn sur ŝtalo, ĉefe inkluzive de purigo, metamorfismo, mikroalojado kaj plibonigo de korodrezisto. Rarateraj ŝtaloj enhavantaj ŝtalojn estas ankaŭ vaste uzataj en nukleaj reaktoroj.

① Puriga efiko: Ekzistantaj esploroj montris, ke raraj teroj havas bonan purigadan efikon sur fandita ŝtalo je altaj temperaturoj. Ĉi tio estas ĉar raraj teroj povas reagi kun malutilaj elementoj kiel oksigeno kaj sulfuro en la fandita ŝtalo por generi alttemperaturajn kombinaĵojn. La alttemperaturaj kombinaĵoj povas esti precipitigitaj kaj eligitaj en la formo de inkluzivaĵoj antaŭ ol la fandita ŝtalo kondensiĝas, tiel reduktante la malpuraĵan enhavon en la fandita ŝtalo.

② Metamorfismo: aliflanke, la oksidoj, sulfidoj aŭ oksisulfidoj generitaj per la reakcio de rara tero en la fandita ŝtalo kun damaĝaj elementoj kiel oksigeno kaj sulfuro povas esti parte retenitaj en la fandita ŝtalo kaj iĝi ŝtalaj inkluzivaĵoj kun alta fandopunkto. Ĉi tiuj inkluzivaĵoj povas esti uzataj kiel heterogenaj nukleaj centroj dum solidiĝo de la fandita ŝtalo, tiel plibonigante la formon kaj strukturon de la ŝtalo.

③ Mikroalojado: se la aldono de rara tero estas plue pliigita, la restanta rara tero estos solvita en la ŝtalo post la supre menciita purigo kaj metamorfismo. Ĉar la atomradiuso de rara tero estas pli granda ol tiu de fera atomo, rara tero havas pli altan surfacan aktivecon. Dum la solidiĝa procezo de fandita ŝtalo, rarateraj elementoj riĉiĝas ĉe la grenlimo, kio povas pli bone redukti la apartigon de malpuraĵaj elementoj ĉe la grenlimo, tiel fortigante la solidan solvaĵon kaj ludante la rolon de mikroalojado. Aliflanke, pro la hidrogenstokaj karakterizaĵoj de raraj teroj, ili povas absorbi hidrogenon en ŝtalo, tiel efike plibonigante la hidrogenrompiĝfenomenon de ŝtalo.

④ Plibonigo de korodrezisto: La aldono de raraj teroj ankaŭ povas plibonigi la korodreziston de ŝtalo. Ĉi tio estas ĉar raraj teroj havas pli altan memkorodan potencialon ol rustorezista ŝtalo. Tial, la aldono de raraj teroj povas pliigi la memkorodan potencialon de rustorezista ŝtalo, tiel plibonigante la stabilecon de ŝtalo en korodaj medioj.

2). Studo pri Ŝlosilaj Patentoj

Ŝlosila patento: inventa patento de oksida disperso plifortigita malalt-aktiviga ŝtalo kaj ĝia preparmetodo de la Instituto de Metaloj, Ĉina Akademio de Sciencoj

Patenta abstraktaĵo: Proviziĝas ŝtalo kun malalta aktivigo kaj oksida disperso taŭga por fuziaj reaktoroj kaj ĝia preparmetodo, karakterizita per tio, ke la procento de alojelementoj en la tuta maso de la malalta aktivigo estas: la matrico estas 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%, kaj 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Fabrikada procezo: Fe-Cr-WV-Ta-Mn patrinaloja fandado, pulvoratomigo, alt-energia pilmuelado de la patrinaloja kajY2O3-nanopartiklomiksita pulvoro, pulvora envolvanta ekstraktado, solidiĝa fandado, varma rulado kaj varmotraktado.

Metodo de aldono de rara tero: Aldonu nanoskalonY2O3partikloj al la gepatra aloja atomigita pulvoro por alt-energia pilmuelado, kun la pilmuelada medio estanta Φ 6 kaj Φ 10 miksitaj malmolaj ŝtalpilkoj, kun pilmuelada atmosfero de 99.99% argona gaso, pilmateriala masproporcio de (8-10): 1, pilmuelada tempo de 40-70 horoj, kaj rotacia rapido de 350-500 r/min.

3）.Uzata por fari neŭtronradiadajn protektajn materialojn

① Principo de protekto kontraŭ neŭtrona radiado

Neŭtronoj estas komponantoj de atomkernoj, kun statika maso de 1,675 × 10⁻²⁷ kg, kio estas 1838-oble la elektronika maso. Ĝia radiuso estas proksimume 0,8 × 10⁻¹⁵ m, simila laŭ grandeco al protono, simile al γ-radioj estas same senŝargaj. Kiam neŭtronoj interagas kun materio, ili ĉefe interagas kun la nukleaj fortoj ene de la nukleo, kaj ne interagas kun la elektronoj en la ekstera ŝelo.

Kun la rapida disvolviĝo de nuklea energio kaj nuklearektora teknologio, pli kaj pli da atento estas donita al nuklearadiada sekureco kaj nuklearadiada protekto. Por plifortigi radiadan protekton por funkciigistoj, kiuj delonge okupiĝas pri radiadekipaĵa prizorgado kaj akcidenta savado, estas de granda scienca signifo kaj ekonomia valoro disvolvi malpezajn ŝirmajn kompozitojn por protekta vestaĵo. Neŭtrona radiado estas la plej grava parto de nuklearektora radiado. Ĝenerale, la plej multaj el la neŭtronoj en rekta kontakto kun homoj estas malrapidigitaj al malaltenergiaj neŭtronoj post la neŭtrona ŝirma efiko de la strukturaj materialoj ene de la nuklea reaktoro. Malaltenergiaj neŭtronoj kolizios kun nukleoj kun pli malalta atomnumero elaste kaj daŭre moderiĝos. La moderigitaj termikaj neŭtronoj estos absorbitaj de elementoj kun pli grandaj neŭtronaj sorbaj sekcoj, kaj fine neŭtrona ŝirmado estos atingita.

② Ŝlosila Patenta Studo

La poraj kaj organik-neorganikaj hibridaj ecoj derara tera elementogadolinioMetal-organikaj skeletmaterialoj pliigas sian kongruecon kun polietileno, antaŭenigante ke la sintezitaj kompozitaj materialoj havas pli altan gadolinian enhavon kaj gadolinian disperson. La alta gadolinia enhavo kaj disperso rekte influos la neŭtronan ŝirmadan rendimenton de la kompozitaj materialoj.

Ŝlosila patento: Hefei Instituto de Materialscienco, Ĉina Akademio de Sciencoj, inventa patento de gadolinio-bazita organika kadra kompozita ŝirma materialo kaj ĝia preparmetodo

Patenta Abstraktaĵo: Gadolinio-bazita metal-organika skeleta kompozita ŝirma materialo estas kompozita materialo formita per miksadogadolinioKompozitaj ŝirmaj materialoj bazitaj sur metal-organika skeleto kaj polietileno kun pezoproporcio de 2:1:10. Gadolinio-bazitaj metal-organikaj skeleto-kompozitaj ŝirmaj materialoj havas altan termikan stabilecon kaj termikan neŭtronan ŝirman kapablon.

Fabrikada procezo: elektado de diversajgadoliniometalosaloj kaj organikaj ligandoj por prepari kaj sintezi diversajn tipojn de gadolini-bazitaj metal-organikaj skeletmaterialoj, lavante ilin per malgrandaj molekuloj de metanolo, etanolo aŭ akvo per centrifugado, kaj aktivigante ilin je alta temperaturo sub vakuaj kondiĉoj por plene forigi la restajn nereagitajn krudmaterialojn en la poroj de la gadolini-bazitaj metal-organikaj skeletmaterialoj; La gadolini-bazita organometala skeletmaterialo preparita en la paŝo estas kirlota kun polietilena locio je alta rapideco, aŭ ultrasone, aŭ la gadolini-bazita organometala skeletmaterialo preparita en la paŝo estas fandita miksita kun ultra-alta molekulpeza polietileno je alta temperaturo ĝis plene miksita; Metu la unuforme miksitan gadolini-bazitan metal-organikan skeletmaterialon/polietilenan miksaĵon en la muldilon, kaj akiru la formitan gadolini-bazitan metal-organikan skeletkompozitan ŝirmmaterialon per sekigado por antaŭenigi solventan vaporiĝon aŭ varman premadon; La preparita gadolini-bazita metal-organika skeletkompozita ŝirmmaterialo havas signife plibonigitan varmoreziston, mekanikajn ecojn kaj superan termikan neŭtronan ŝirmkapablon kompare kun puraj polietilenaj materialoj.

Aldona reĝimo de rara tero: Gd2 (BHC) (H2O)₆, Gd (BTC) (H2O)₄ aŭ Gd (BDC)₁ (H2O)₂ pora kristala kunordiga polimero enhavanta gadolinion, kiu akiriĝas per kunordiga polimerigo deGd (NO3) 3 • 6H2O aŭ GdCl3 • 6H2Okaj organika karboksilata ligando; La grandeco de gadolinio-bazita metal-organika skeletmaterialo estas 50nm-2 μm; Gadolinio-bazitaj metal-organikaj skeletmaterialoj havas malsamajn morfologiojn, inkluzive de grajnecaj, bastonformaj aŭ pingloformaj formoj.

(4) Apliko deSkandioen Radiokemio kaj nuklea industrio

Skandio havas bonan termikan stabilecon kaj fortan fluoran sorbadon, igante ĝin nemalhavebla materialo en la atomenergia industrio.

Ŝlosila patento: Ĉinia Aerospaca Disvolviĝo Pekina Instituto de Aeronaŭtikaj Materialoj, inventa patento por alojo de aluminio, zinko, magnezio, skandio kaj ĝia preparmetodo

Patenta resumo: Aluminio-zinkomagnezio-skandia alojokaj ĝia preparmetodo. La kemia konsisto kaj pezprocento de la alojo de aluminio-zinko-magnezio-skandio estas: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, malpuraĵoj Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, aliaj malpuraĵoj unuopaj ≤ 0.05%, aliaj malpuraĵoj entute ≤ 0.15%, kaj la restanta kvanto estas Al. La mikrostrukturo de ĉi tiu materialo el alojo de aluminio-zinko-magnezio-skandio estas uniforma kaj ĝia funkciado estas stabila, kun finfina streĉrezisto de pli ol 400MPa, streĉrezisto de pli ol 350MPa, kaj streĉrezisto de pli ol 370MPa por velditaj juntoj. La materialaj produktoj povas esti uzataj kiel strukturaj elementoj en la aerspaca, nuklea industrio, transportado, sportvaroj, armiloj kaj aliaj kampoj.

Fabrikada procezo: Paŝo 1, ingredienco laŭ la supre menciita aloja konsisto; Paŝo 2: Fandi en la fanda forno je temperaturo de 700 ℃~780 ℃; Paŝo 3: Rafini la tute fanditan metallikvaĵon, kaj konservi la metaltemperaturon ene de la intervalo de 700 ℃~750 ℃ ​​dum rafinado; Paŝo 4: Post rafinado, ĝi devas esti plene lasita stari; Paŝo 5: Post plena starado, komenci la fandadon, konservi la fornan temperaturon ene de la intervalo de 690 ℃~730 ℃, kaj la fandadrapido estas 15-200 mm/minuto; Paŝo 6: Fari homogenigan kalcinan traktadon sur la aloja orbriko en la hejtila forno, kun homogeniga temperaturo de 400 ℃~470 ℃; Paŝo 7: Senŝeligi la homogenigitan orbrikon kaj fari varman eltrudadon por produkti profilojn kun mura dikeco de pli ol 2.0 mm. Dum la eltruda procezo, la peco devas esti konservita je temperaturo de 350 ℃ ĝis 410 ℃; Paŝo 8: Premu la profilon por solva malvarmigo, kun solva temperaturo de 460-480 ℃; Paŝo 9: Post 72 horoj da solida malvarmigo, permane perforte maljuniĝu. La mana perforte maljuniĝa sistemo estas: 90~110 ℃/24 horoj+170~180 ℃/5 horoj, aŭ 90~110 ℃/24 horoj+145~155 ℃/10 horoj.

5. Resumo de la Esplorado

Ĝenerale, raraj teroj estas vaste uzataj en nuklea fuzio kaj nuklea fisio, kaj havas multajn patentajn dezajnojn en tiaj teknikaj direktoj kiel rentgen-ekscito, plasmoformado, malpezakva reaktoro, transurania, uranila kaj oksida pulvoro. Koncerne reaktorajn materialojn, raraj teroj povas esti uzataj kiel reaktoraj strukturaj materialoj kaj rilataj ceramikaj izolaj materialoj, kontrolmaterialoj kaj neŭtronradiadaj protektaj materialoj.