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 за нуклеарно инжењерство, односно ненуклеарне горивне материјале.
Уобичајено називани нуклеарни материјали углавном се односе на материјале који се користе у различитим деловима реактора, такође познате као реакторски материјали. Реакторски материјали укључују нуклеарно гориво које се подвргава нуклеарној фисији под неутронским бомбардовањем, материјале за облагање компоненти нуклеарног горива, расхладна средства, модераторе неутрона (модераторе), материјале контролних шипки који снажно апсорбују неутроне и рефлектујуће материјале који спречавају цурење неутрона изван реактора.
2. Узајамна веза између ресурса ретких земаља и нуклеарних ресурса
Моназит, такође назван фосфоцерит и фосфоцерит, је чест помоћни минерал у магматским стенама средње киселости и метаморфним стенама. Моназит је један од главних минерала руде ретких земних метала, а постоји и у неким седиментним стенама. Смеђкастоцрвене, жуте, понекад смеђкастожуте боје, са масним сјајем, потпуним цепање, тврдоћом по Мохосу од 5-5,5 и специфичном тежином од 4,9-5,5.
Главни рудни минерал неких налазишта ретких земаља типа плацера у Кини је моназит, који се углавном налази у Тонгченгу, Хубеју, Јуејангу, Хунану, Шанграоу, Ђијангсију, Менгају, Јунану и округу Хе у Гуангсију. Међутим, вађење ресурса ретких земаља типа плацера често нема економски значај. Усамљено камење често садржи рефлексивне торијумске елементе и такође је главни извор комерцијалног плутонијума.
3. Преглед примене ретких земних елемената у нуклеарној фузији и нуклеарној фисији на основу панорамске анализе патената
Након што се кључне речи елемената за претрагу ретких земаља потпуно прошире, оне се комбинују са кључевима за проширење и класификационим бројевима нуклеарне фисије и нуклеарне фузије и претражују у бази података Incopt. Датум претраге је 24. август 2020. године. 4837 патената је добијено након једноставног спајања породица, а 4673 патента је одређено након вештачког смањења шума.
Пријаве за патенте за ретке земље у области нуклеарне фисије или нуклеарне фузије поднете су у 56 земаља/региона, углавном концентрисаних у Јапану, Кини, Сједињеним Државама, Немачкој и Русији итд. Значајан број патената пријављује се у облику PCT-а, од чега су кинеске пријаве за патентну технологију у порасту, посебно од 2009. године, улазећи у фазу брзог раста, а Јапан, Сједињене Државе и Русија настављају да се баве овом областју већ дуги низ година (Слика 1).
Слика 1 Тренд примене технолошких патената везаних за примену ретких земних елемената у нуклеарној фисији и нуклеарној фузији у земљама/регионима
Из анализе техничких тема може се видети да се примена ретких земаља у нуклеарној фузији и нуклеарној фисији фокусира на горивне елементе, сцинтилаторе, детекторе зрачења, актиниде, плазму, 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, реакције нуклеарне фузије и нуклеарне фисије у нуклеарним материјалима су интензивне, а захтеви за материјале су строги. Тренутно су енергетски реактори углавном реактори нуклеарне фисије, а фузијски реактори би могли бити популаризовани у великим размерама за 50 година. Примена...ретка земљаелементи у материјалима за конструкцију реактора; У специфичним областима нуклеарне хемије, 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 резидуална реактивност нових језгара је генерално релативно висока. Посебно у раним фазама првог циклуса пуњења горивом, када је сво нуклеарно гориво у језгру ново, преостала реактивност је највећа. У овом тренутку, ослањање искључиво на повећање броја контролних шипки ради компензације резидуалне реактивности довело би до увођења више контролних шипки. Свака контролна шипка (или сноп шипки) одговара увођењу сложеног погонског механизма. С једне стране, ово повећава трошкове, а с друге стране, отварање рупа на глави посуде под притиском може довести до смањења структурне чврстоће. Не само да је неекономично, већ није дозвољено имати одређену количину порозности и структурне чврстоће на глави посуде под притиском. Међутим, без повећања броја контролних шипки, неопходно је повећати концентрацију хемијских компензујућих токсина (као што је борна киселина) како би се компензовала преостала реактивност. У овом случају, лако је да концентрација бора пређе праг, а температурни коефицијент модератора постане позитиван.
Да би се избегли горе наведени проблеми, генерално се може користити комбинација запаљивих токсина, контролних шипки и хемијске компензационе контроле.
(2) Као примеса за побољшање перформанси структурних материјала реактора
Реактори захтевају да структурне компоненте и горивни елементи имају одређени ниво чврстоће, отпорности на корозију и високе термичке стабилности, а истовремено спречавају улазак производа фисије у расхладно средство.
1) .Челик ретких земаља
Нуклеарни реактор има екстремне физичке и хемијске услове, а свака компонента реактора такође има високе захтеве за специјални челик који се користи. Реткоземни елементи 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 реаговати са штетним елементима као што су кисеоник и сумпор у растопљеном челику, стварајући једињења на високим температурама. Једињења на високим температурама могу се исталожити и испустити у облику инклузија пре него што се растопљени челик кондензује, чиме се смањује садржај нечистоћа у растопљеном челику.
② Метаморфизам: с друге стране, оксиди, сулфиди или оксисулфиди настали реакцијом ретких земних елемената 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 могу се користити као хетерогени центри нуклеације током очвршћавања растопљеног челика, чиме се побољшава облик и структура челика.
③ Микролегирање: ако се додатак ретких земаља додатно повећа, преостале ретке земље ће се растворити у челику након што се горе наведено пречишћавање и метаморфоза заврше. Пошто је атомски радијус ретких земаља већи од атома гвожђа, ретке земље имају већу површинску активност. Током процеса очвршћавања растопљеног челика, елементи ретких земаља се обогаћују на граници зрна, што може боље смањити сегрегацију нечистоћа на граници зрна, чиме се јача чврсти раствор и игра улогу микролегирања. С друге стране, због карактеристика складиштења водоника, ретке земље могу апсорбовати водоник у челику, чиме се ефикасно побољшава феномен водоничне кртости 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 срединама.
2). Кључна студија патента
Кључни патент: патент за проналазак челика са ниском активацијом ојачаног дисперзијом оксида и методе његове припреме од стране Института за метале, Кинеске академије наука
Апстракт патента: Обезбеђен је челик са ниском активацијом ојачан оксидном дисперзијом, погодан за фузионе реакторе, и поступак његове припреме, који се карактерише тиме што је проценат легирајућих елемената у укупној маси челика са ниском активацијом: матрица је 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% и 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Процес производње: топљење матичне легуре Fe-Cr-WV-Ta-Mn, атомизација праха, мљевење матичне легуре куглицама високе енергије иY2O3 наночестицамешани прах, екстракција обавезујућим прахом, обликовање ради очвршћавања, топло ваљање и термичка обрада.
Метод додавања ретких земних елемената: Додавање наноразмераY2O3честице у атомизовани прах основне легуре за високоенергетско куглично млевење, при чему је медијум за куглично млевење Φ 6 и Φ 10 мешовите тврде челичне куглице, са атмосфером кугличног млевења од 99,99% аргонског гаса, односом масе материјала куглице од (8-10): 1, временом кугличног млевења од 40-70 сати и брзином ротације од 350-500 о/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 веће од електронске масе. Њихов полупречник је приближно 0,8 × 10⁻¹5 м, сличне величине као протон, слично γ зрацима. Подједнако су ненаелектрисани. Када неутрони интерагују са материјом, они углавном интерагују са нуклеарним силама унутар језгра, а не интерагују са електронима у спољашњој љусци.
Са брзим развојем нуклеарне енергије и технологије нуклеарних реактора, све више пажње се посвећује безбедности од нуклеарног зрачења и заштити од нуклеарног зрачења. Да би се ојачала заштита од зрачења за оператере који се дуго баве одржавањем опреме за зрачење и спасавањем у случају несреће, од великог је научног значаја и економске вредности развој лаганих заштитних композита за заштитну одећу. Неутронско зрачење је најважнији део зрачења нуклеарног реактора. Генерално, већина неутрона у директном контакту са људима успорена је на неутроне ниске енергије након ефекта неутронске заштите структурних материјала унутар нуклеарног реактора. Неутрони ниске енергије ће се еластично сударати са језгрима са нижим атомским бројем и наставити да се модерирају. Модерисани топлотни неутрони ће бити апсорбовани елементима са већим попречним пресеком апсорпције неутрона, и коначно ће се постићи неутронска заштита.
② Кључна студија патената
Порозне и органско-неорганске хибридне особинеретки земни елементгадолинијумОргански скелетни материјали на бази метала повећавају своју компатибилност са полиетиленом, што доприноси да синтетизовани композитни материјали имају већи садржај гадолинијума и дисперзију гадолинијума. Висок садржај и дисперзија гадолинијума директно ће утицати на перформансе неутронске заштите композитних материјала.
Кључни патент: Хефејски институт за науку о материјалима, Кинеска академија наука, патент за проналазак композитног заштитног материјала на бази гадолинијума и метода његове припреме
Апстракт патента: Композитни заштитни материјал од металног органског скелета на бази гадолинијума је композитни материјал формиран мешањемгадолинијумна бази металног органског скелетног материјала са полиетиленом у тежинском односу 2:1:10 и обликовањем испаравањем растварача или врућим пресовањем. Композитни заштитни материјали од металног органског скелета на бази гадолинијума имају високу термичку стабилност и способност заштите од термалних неутрона.
Процес производње: избор различитихгадолинијум металсоли и органских лиганда за припрему и синтезу различитих врста металних органских скелетних материјала на бази гадолинијума, њихово прање малим молекулима метанола, етанола или воде центрифугирањем и активирање на високој температури под вакуумом како би се у потпуности уклониле преостале нереаговане сировине у порама металних органских скелетних материјала на бази гадолинијума; Органометални скелетни материјал на бази гадолинијума припремљен у кораку се меша са полиетиленским лосионом великом брзином или ултразвучно, или се органометални скелетни материјал на бази гадолинијума припремљен у кораку топи са полиетиленом ултра високе молекулске тежине на високој температури док се потпуно не сједини; Ставити равномерно измешану смешу металног органског скелетног материјала на бази гадолинијума/полиетилена у калуп и добити формирани композитни заштитни материјал металног органског скелета на бази гадолинијума сушењем ради подстицања испаравања растварача или врућим пресовањем; Припремљени композитни заштитни материјал 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.
Режим додавања ретких земних елемената: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 или Gd (BDC)1.5(H2O)2 порозни кристални координациони полимер који садржи гадолинијум, који се добија координационом полимеризацијомGd (NO3) 3 • 6H2O или GdCl3 • 6H2Oи органски карбоксилатни лиганд; Величина металног органског скелетног материјала на бази гадолинијума је 50nm-2 μm; метални органски скелетни материјали на бази гадолинијума имају различите морфологије, укључујући грануларне, штапићасте или игличасте облике.
(4) ПрименаСкандијуму радиохемији и нуклеарној индустрији
Скандијум метал има добру термичку стабилност и јаке перформансе апсорпције флуора, што га чини неопходним материјалом у атомској енергетској индустрији.
Кључни патент: Кинески институт за развој ваздухопловства у Пекингу, патент за проналазак легуре алуминијума, цинка, магнезијума и скандијума и методе њене припреме
Апстракт патента: Алуминијум-цинклегура магнезијум-скандијумаи његов метод припреме. Хемијски састав и тежински проценат легуре алуминијума, цинка и магнезијума у скандијуму су: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, нечистоће Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, остале појединачне нечистоће ≤ 0,05%, остале укупне нечистоће ≤ 0,15%, а преостала количина је Al. Микроструктура овог материјала легуре алуминијума, цинка и магнезијума у скандијуму је уједначена, а његове перформансе су стабилне, са граничном затезном чврстоћом преко 400 MPa, границом течења преко 350 MPa и затезном чврстоћом преко 370 MPa за заварене спојеве. Производи од овог материјала могу се користити као структурни елементи у ваздухопловству, нуклеарној индустрији, транспорту, спортској опреми, оружју и другим областима.
Процес производње: Корак 1, састојак према горе наведеном саставу легуре; Корак 2: Топљење у пећи за топљење на температури од 700 ℃~780 ℃; Корак 3: Рафинисање потпуно растопљене металне течности и одржавање температуре метала у опсегу од 700 ℃~750 ℃ током рафинирања; Корак 4: Након рафинирања, треба га оставити да потпуно мирује; Корак 5: Након потпуног стајања, почетак ливења, одржавање температуре пећи у опсегу од 690 ℃~730 ℃, а брзина ливења 15-200 мм/мин; Корак 6: Извршавање хомогенизационог жарења на инготу легуре у пећи за грејање, са температуром хомогенизације од 400 ℃~470 ℃; Корак 7: Ољуштити хомогенизовани ингот и извршити врућу екструзију да би се добили профили са дебљином зида већом од 2,0 мм. Током процеса екструзије, гредицу треба одржавати на температури од 350 ℃ до 410 ℃; Корак 8: Стиснути профил за третман каљењем у раствору, са температуром раствора од 460-480 ℃; Корак 9: Након 72 сата каљења у чврстом раствору, ручно присилно старење. Систем ручног присилног старења је: 90~110 ℃/24 сата + 170~180 ℃/5 сати, или 90~110 ℃/24 сата + 145~155 ℃/10 сати.
5. Резиме истраживања
Генерално, ретке земље се широко користе у нуклеарној фузији и нуклеарној фисији, и имају много патентних захтева у техничким областима као што су рендгенско побуђивање, формирање плазме, лаководни реактор, трансуранијум, уранил и оксидни прах. Што се тиче реакторских материјала, ретке земље се могу користити као структурни материјали за реакторе и сродни керамички изолациони материјали, контролни материјали и материјали за заштиту од неутронског зрачења.
Време објаве: 26. мај 2023.