1、 Дефиниција нуклеарних материјала
У ширем смислу, нуклеарни материјал је општи термин за материјале који се користе искључиво у нуклеарној индустрији и нуклеарним научним истраживањима, укључујући нуклеарно гориво и материјале нуклеарног инжењеринга, односно материјале који нису нуклеарни.
Уобичајени нуклеарни материјали се углавном односе на материјале који се користе у различитим деловима реактора, такође познати као реакторски материјали. Материјали реактора укључују нуклеарно гориво које је подвргнуто нуклеарној фисији под неутронским бомбардовањем, материјале за облагање компоненти нуклеарног горива, расхладне течности, неутронске модераторе (модераторе), материјале контролне шипке који снажно апсорбују неутроне и рефлектујуће материјале који спречавају цурење неутрона ван реактора.
2、 Повезани однос између ресурса ретких земаља и нуклеарних ресурса
Моназит, који се такође назива фосфоцерит и фосфоцерит, је уобичајен помоћни минерал у средње киселим магматским стенама и метаморфним стенама. Моназит је један од главних минерала руде ретких земних метала, а постоји иу неким седиментним стенама. Браонкасто црвена, жута, понекад браонкаста жута, масног сјаја, потпуног цепања, тврдоће по Мохсу 5-5,5, специфичне тежине 4,9-5,5.
Главни рудни минерал неких ретких земљаних наслага у Кини је моназит, који се углавном налази у Тонгченгу, Хубеију, Јуејангу, Хунану, Шангау, Ђијансију, Менгају, Јунану и округу Хе, Гуангси. Међутим, вађење ретких земља типа плацер често нема економски значај. Усамљено камење често садржи рефлексивне елементе торијума и такође је главни извор комерцијалног плутонијума.
3、 Преглед примене ретких земаља у нуклеарној фузији и нуклеарној фисији на основу патентне панорамске анализе
Након што су кључне речи елемената за претрагу ретких земаља у потпуности проширене, оне се комбинују са кључевима за проширење и класификационим бројевима нуклеарне фисије и нуклеарне фузије и претражују се у бази података Инцопт. Датум претраге је 24. август 2020. 4837 патената добијено је једноставним спајањем породица, а 4673 патената утврђено је после вештачке редукције буке.
Пријаве за патенте ретких земаља у области нуклеарне фисије или нуклеарне фузије дистрибуирају се у 56 земаља/регија, углавном концентрисаних у Јапану, Кини, Сједињеним Државама, Немачкој и Русији, итд. Значајан број патената се примењује у облику ПЦТ-а. , од којих су кинеске патентне технологије у порасту, посебно од 2009. године, улазећи у фазу брзог раста, а Јапан, Сједињене Државе и Русија су наставили да се постављају у овој области дуги низ година (Слика 1).
Слика 1 Тренд примене технолошких патената који се односе на примену ретких земаља у нуклеарној фисији и нуклеарној фузији у земљама/регионима
Из анализе техничких тема може се видети да се примена ретке земље у нуклеарној фузији и нуклеарној фисији фокусира на гориве елементе, сцинтилаторе, детекторе зрачења, актиниде, плазме, нуклеарне реакторе, заштитне материјале, апсорпцију неутрона и друге техничке правце.
4、 Специфичне примене и кључна патентна истраживања елемената ретких земаља у нуклеарним материјалима
Међу њима, нуклеарна фузија и реакције нуклеарне фисије у нуклеарним материјалима су интензивне, а захтеви за материјале су строги. Тренутно су енергетски реактори углавном реактори нуклеарне фисије, а фузиони реактори могу бити популаризовани у великим размерама након 50 година. Примена одретке земљеелементи у конструктивним материјалима реактора; У специфичним нуклеарним хемијским пољима, реткоземни елементи се углавном користе у контролним шипкама; Поред тога,скандијумтакође се користи у радиохемији и нуклеарној индустрији.
（1） Као запаљиви отров или контролна шипка за подешавање нивоа неутрона и критичног стања нуклеарног реактора
У енергетским реакторима, почетна заостала реактивност нових језгара је генерално релативно висока. Нарочито у раним фазама првог циклуса допуњавања горива, када је сво нуклеарно гориво у језгру ново, преостала реактивност је највећа. У овом тренутку, ослањање искључиво на повећање контролних шипки за компензацију преостале реактивности би увело више контролних шипки. Свака управљачка шипка (или сноп шипке) одговара увођењу сложеног погонског механизма. С једне стране, то повећава трошкове, а са друге стране отварање рупа у глави посуде под притиском може довести до смањења чврстоће конструкције. Не само да је неекономично, већ и није дозвољено имати одређену количину порозности и структурне чврстоће на глави посуде под притиском. Међутим, без повећања контролних шипки, потребно је повећати концентрацију хемијских компензујућих токсина (као што је борна киселина) да би се надокнадила преостала реактивност. У овом случају, лако је да концентрација бора пређе праг, а температурни коефицијент модератора ће постати позитиван.
Да би се избегли горе поменути проблеми, комбинација запаљивих токсина, контролних шипки и контроле хемијске компензације се генерално може користити за контролу.
（2） Као додатак за побољшање перформанси конструктивних материјала реактора
Реактори захтевају да структурне компоненте и гориви елементи имају одређени ниво чврстоће, отпорности на корозију и високу термичку стабилност, док такође спречавају да производи фисије уђу у расхладну течност.
1) .Реткоземни челик
Нуклеарни реактор има екстремне физичке и хемијске услове, а свака компонента реактора такође има високе захтеве за специјални челик који се користи. Елементи ретких земаља имају посебне модификационе ефекте на челик, углавном укључујући пречишћавање, метаморфизам, микролегирање и побољшање отпорности на корозију. Челици који садрже ретке земље се такође широко користе у нуклеарним реакторима.
① Ефекат пречишћавања: Постојећа истраживања су показала да ретке земље имају добар ефекат пречишћавања растопљеног челика на високим температурама. То је зато што ретке земље могу да реагују са штетним елементима као што су кисеоник и сумпор у растопљеном челику да би генерисали високотемпературна једињења. Високотемпературна једињења се могу исталожити и испразнити у облику инклузија пре кондензације растопљеног челика, чиме се смањује садржај нечистоћа у истопљеном челику.
② Метаморфизам: с друге стране, оксиди, сулфиди или оксисулфиди који настају реакцијом ретке земље у растопљеном челику са штетним елементима као што су кисеоник и сумпор могу се делимично задржати у растопљеном челику и постати инклузије челика са високом тачком топљења . Ове инклузије се могу користити као хетерогени центри нуклеације током очвршћавања растопљеног челика, чиме се побољшава облик и структура челика.
③ Микролегирање: ако се додавање ретких земаља додатно повећа, преостала ретка земља ће се растворити у челику након што се заврши горе наведено пречишћавање и метаморфизам. Пошто је атомски радијус ретке земље већи од атома гвожђа, ретка земља има већу површинску активност. Током процеса очвршћавања растопљеног челика, ретки земни елементи се обогаћују на граници зрна, што може боље смањити сегрегацију елемената нечистоћа на граници зрна, чиме се ојачава чврсти раствор и игра улогу микролегирања. С друге стране, због карактеристика складиштења водоника ретких земаља, они могу да апсорбују водоник у челику, чиме се ефикасно побољшава феномен кртости водоника челика.
④ Побољшање отпорности на корозију: Додавање елемената ретких земаља такође може побољшати отпорност челика на корозију. То је зато што ретке земље имају већи потенцијал самокорозије од нерђајућег челика. Стога, додавање ретких земаља може повећати потенцијал самокорозије нерђајућег челика, чиме се побољшава стабилност челика у корозивним медијима.
2). Кључна студија о патентима
Кључни патент: патент за проналазак челика са ниском активацијом ојачаног дисперзијом оксида и метода његове припреме од стране Института за метале Кинеске академије наука
Апстракт патента: Дат је челик ниске активације ојачан оксидном дисперзијом погодан за фузионе реакторе и начин његове припреме, који се карактерише тиме што је проценат легираних елемената у укупној маси нискоактивационог челика: матрица Фе, 0,08% ≤ Ц ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Цр ≤ 10,0%, 1,1% ≤ В ≤ 1,55%, 0,1% ≤ В ≤ 0,3%, 0,03% ≤ Та ≤ 0,2%, 0,1 ≤ Мн ≤ 0,6%, и 0,05% ≤ И2О3 ≤ 0,5%.
Процес производње: топљење матичне легуре Фе-Цр-ВВ-Та-Мн, атомизација праха, високоенергетско млевење матичне легуре иИ2О3 наночестицамешани прах, екстракција омотача прахом, обликовање учвршћивања, вруће ваљање и топлотна обрада.
Метода додавања ретких земаља: Додајте наноразмеруИ2О3честице матичне легуре атомизовани прах за високоенергетско млевење куглица, са медијумом за млевење куглица Φ 6 и Φ 10 мешаних лоптица од тврдог челика, са атмосфером за млевење куглица од 99,99% гаса аргона, масеним односом кугличног материјала од (8- 10): 1, време млевења лопте од 40-70 сати и брзина ротације од 350-500 р/мин.
3）.Користи се за израду материјала за заштиту од неутронског зрачења
① Принцип заштите од неутронског зрачења
Неутрони су компоненте атомских језгара, са статичком масом од 1,675 × 10-27 кг, што је 1838 пута више од електронске масе. Његов радијус је приближно 0,8 × 10-15м, по величини сличан протону, сличан γ зраци су једнако ненаелектрисани. Када неутрони ступају у интеракцију са материјом, они углавном ступају у интеракцију са нуклеарним силама унутар језгра, а не у интеракцији са електронима у спољашњој љусци.
Са брзим развојем нуклеарне енергије и технологије нуклеарних реактора, све више пажње се поклања безбедности нуклеарног зрачења и заштити од нуклеарног зрачења. У циљу јачања заштите од зрачења за оператере који се већ дуже време баве одржавањем радијационе опреме и спасавањем удеса, од великог је научног значаја и економске вредности развој лаких заштитних композита за заштитну одећу. Неутронско зрачење је најважнији део зрачења нуклеарног реактора. Генерално, већина неутрона у директном контакту са људским бићима је успорена до нискоенергетских неутрона након ефекта заштите од неутрона структурних материјала унутар нуклеарног реактора. Неутрони ниске енергије ће се еластично сударати са језгрима са нижим атомским бројем и наставити да буду умерени. Умерене термичке неутроне ће апсорбовати елементи са већим пресеком апсорпције неутрона и коначно ће се постићи неутронска заштита.
② Кључна студија о патентима
Порозне и органско-неорганске хибридне особинеелемент ретке земљегадолинијумаматеријали на бази металних органских скелета повећавају своју компатибилност са полиетиленом, промовишући синтетизоване композитне материјале да имају већи садржај гадолинијума и дисперзију гадолинијума. Висок садржај и дисперзија гадолинијума ће директно утицати на перформансе заштите од неутрона композитних материјала.
Кључни патент: Институт за науку о материјалима Хефеи, Кинеска академија наука, патент за проналазак композитног заштитног материјала на бази гадолинијума и метода његове припреме
Апстракт патента: композитни композитни заштитни материјал на бази гадолинијума је композитни материјал који се формира мешањемгадолинијумана бази металног органског скелетног материјала са полиетиленом у тежинском односу 2:1:10 и формирањем га испаравањем растварача или врућим пресовањем. Композитни композитни материјали на бази металног органског скелета на бази гадолинијума имају високу термичку стабилност и способност заштите од топлотних неутрона.
Процес производње: одабир различитихметал гадолинијумасоли и органски лиганди за припрему и синтезу различитих типова металних органских скелета на бази гадолинијума, испирањем са малим молекулима метанола, етанола или воде центрифугирањем и активирањем на високој температури у условима вакуума да би се у потпуности уклониле заостале неизреаговане сировине у порама металних органских скелетних материјала на бази гадолинијума; Органометални скелетни материјал на бази гадолинијума припремљен у кораку се меша са полиетиленским лосионом при великој брзини, или ултразвучно, или се органометални скелетни материјал на бази гадолинијума припремљен у кораку истопи са полиетиленом ултра високе молекулске тежине на високој температури док се потпуно не помеша; Поставите једнолично помешани метални органски скелет материјал/полиетилен на бази гадолинијума у калуп и добијете формирани композитни заштитни материјал на бази гадолинијума на бази металног органског скелета сушењем да би се подстакло испаравање растварача или вруће пресовање; Припремљени композитни композитни материјал од металног органског скелета на бази гадолинијума има значајно побољшану отпорност на топлоту, механичка својства и супериорну способност заштите од термичких неутрона у поређењу са чистим полиетиленским материјалима.
Начин додавања ретких земаља: Гд2 (БХЦ) (Х2О) 6, Гд (БТЦ) (Х2О) 4 или Гд (БДЦ) 1,5 (Х2О) 2 порозни кристални координациони полимер који садржи гадолинијум, који се добија координационом полимеризацијомГд (НО3) 3 • 6Х2О или ГдЦл3 • 6Х2Ои органски карбоксилатни лиганд; Величина металног органског скелетног материјала на бази гадолинијума је 50 нм-2 μм； Метални органски скелетни материјали на бази гадолинијума имају различите морфологије, укључујући зрнасте, шипкасте или игличасте облике.
（4） Примена одСцандиуму радиохемији и нуклеарној индустрији
Метал скандијум има добру термичку стабилност и јаке перформансе апсорпције флуора, што га чини незаменљивим материјалом у индустрији атомске енергије.
Кључни патент: Кинески институт за развој ваздухопловства у Пекингу за ваздухопловне материјале, патент за проналазак легуре алуминијум цинк и магнезијум скандијума и метод његове припреме
Апстракт патента: Алуминијум цинклегура магнезијума и скандијумаи начин његове припреме. Хемијски састав и тежински проценат легуре алуминијум цинк магнезијум скандијум су: Мг 1,0% -2,4%, Зн 3,5% -5,5%, Сц 0,04% -0,50%, Зр 0,04% -0,35%, нечистоће Цу ≤ 0,2%, Си ≤ 0,35%, Фе ≤ 0,4%, остало нечистоћа појединачна ≤ 0,05%, осталих нечистоћа укупно ≤ 0,15%, а преостала количина је Ал. Микроструктура овог материјала од легуре алуминијум цинк магнезијум скандијум је уједначена и његове перформансе су стабилне, са крајњом затезном чврстоћом од преко 400МПа, граном течења од преко 350МПа и затезном чврстоћом од преко 370МПа за заварене спојеве. Материјални производи се могу користити као структурни елементи у ваздухопловству, нуклеарној индустрији, транспорту, спортској роби, оружју и другим областима.
Процес производње: Корак 1, састојак према горе наведеном саставу легуре; Корак 2: Растопити у пећи за топљење на температури од 700 ℃ ~ 780 ℃; Корак 3: Рафинирајте потпуно растопљену металну течност и одржавајте температуру метала у опсегу од 700 ℃ ~ 750 ℃ током рафинације; Корак 4: Након пречишћавања, требало би да буде потпуно мирно; Корак 5: Након потпуног стајања, почните са ливењем, одржавајте температуру пећи у опсегу од 690 ℃ ~ 730 ℃, а брзина ливења је 15-200 мм/мин; Корак 6: Извршите третман хомогенизационог жарења на инготу легуре у пећи за грејање, са температуром хомогенизације од 400 ℃~470 ℃; Корак 7: Одлепите хомогенизовани ингот и извршите врућу екструзију да бисте добили профиле дебљине зида преко 2,0 мм. Током процеса екструзије, гредица треба да се одржава на температури од 350 ℃ до 410 ℃; Корак 8: Стисните профил за третман гашењем раствора, са температуром раствора од 460-480 ℃; Корак 9: Након 72 сата гашења чврстог раствора, ручно присилите старење. Систем ручног старења је: 90~110 ℃/24 сата+170~180 ℃/5 сати, или 90~110 ℃/24 сата+145~155 ℃/10 сати.
5、 Резиме истраживања
У целини, ретке земље се широко користе у нуклеарној фузији и нуклеарној фисији, и имају многе патентне распореде у таквим техничким правцима као што су ексцитација рендгенским зрацима, формирање плазме, реактор лаке воде, трансуранијум, уранил и оксидни прах. Што се тиче реакторских материјала, ретке земље се могу користити као конструктивни материјали реактора и повезани керамички изолациони материјали, контролни материјали и материјали за заштиту од неутронског зрачења.
Време поста: 26.05.2023