Применение редкоземельных элементов в ядерных материалах

1 、 Определение ядерных материалов

В широком смысле, ядерный материал является общим термином для материалов, используемых исключительно в ядерной промышленности и ядерных научных исследованиях, включая ядерные и ядерные инженерные материалы, то есть не ядерные топливные материалы.

Обычно относятся к ядерным материалам в основном относятся к материалам, используемым в различных частях реактора, также известных как реакторные материалы. Материалы реактора включают ядерное топливо, которое подвергается ядерному делению при нейтронной бомбардировке, материалах оболочки для компонентов ядерного топлива, охлаждающих жидкости, модераторов нейтронов (модераторов), материалов управления стержнями, которые сильно поглощают нейтроны и отражающие материалы, которые предотвращают утечку нейтронов вне реактора.

2 、 Связанная связь между ресурсами редкоземелью и ядерными ресурсами и ядерными ресурсами

Монацит, также называемый фосфокеритом и фосфокеритом, является распространенным вспомогательным минералом в промежуточной кислотной магматической породе и метаморфической породе. Монацит является одним из главных минералов редкоземельной металлической руды, а также существует в какой -то осадочной породе. Коричневато-красное, желтое, иногда коричневато-желтое, с жирным блеском, полным расщеплением, твердостью MOHS 5-5,5 и удельной гравитацией 4,9-5,5.

Основным рудным минералом некоторых типовых мест в Китае в Китае является монацит, в основном расположен в Тонгчененге, Хубэй, Юэяне, Хунане, Шанграо, Цзянси, Менхае, Юньнане и графстве Гуанси. Тем не менее, извлечение ресурсов редкоземельной земли типа PLOCER часто не имеет экономического значения. Одиночные камни часто содержат рефлексивные элементы тория, а также являются основным источником коммерческого плутония.

3 、 Обзор применения редкоземельного мышца в ядерном слиянии и ядерном делении на основе палотета -панорамного анализа

После того, как ключевые слова редкоземельных элементов поиска полностью расширены, они объединяются с ключами расширения и классификационными номерами ядерного деления и ядерного слияния и искали в базе данных Incopt. Дата поиска - 24 августа 2020 года. 4837 Патенты были получены после простого семейного слияния, и 4673 патентов были определены после искусственного снижения шума.

Заявки на патент на редкозаписи в области ядерного деления или ядерного слияния распределены в 56 странах/регионах, в основном сосредоточены в Японии, Китае, Соединенных Штатах, Германии и России и т. Д. Значительное количество патентов применяется в форме PCT, из которых китайские патентные технологии увеличиваются, тем более с тех пор, как в 2009 году в 2009 годах в 2009 годах. По имени, в этом поле, и в японии, и в рамках, и в рамках, и в рамках, в этом этапе, и в японии.

Рисунок 1 Тенденция применения патентов на технологии, связанные с применением редкоземельного ядерного деления ядерного ядра и ядерного слияния в странах/регионах

Из анализа технических тем можно увидеть, что применение редкоземеля в ядерном слиянии и ядерном делении фокусируется на топливных элементах, сцинтилляторах, детекторах радиации, актинидах, плазме, ядерных реакторах, экранирующих материалах, поглощении нейтронов и других технических направлениях.

4 、 Конкретные применения и ключевые патентные исследования редкоземельных элементов в ядерных материалах

Среди них реакции ядерного слияния и ядерного деления в ядерных материалах интенсивны, а требования к материалам строгие. В настоящее время реакторы энергетики в основном являются ядерными реакторами деления, а реакторы слияния могут быть популяризированы в больших масштабах через 50 лет. ПрименениеРедко -земляэлементы в структурных материалах реактора; В конкретных ядерных химических полях элементы редкоземелью в основном используются в контрольных стержнях; Кроме того,скандийтакже использовался в радиохимии и ядерной промышленности.

（1) в качестве горючего яда или контрольного стержня для корректировки уровня нейтронов и критического состояния ядерного реактора

В энергетических реакторах начальная остаточная реакционная способность новых ядер, как правило, относительно высока. Особенно на ранних стадиях первого цикла заправки, когда все ядерное топливо в ядре новое, оставшаяся реактивность является самой высокой. На этом этапе, полагаться исключительно на увеличение контрольных стержней, чтобы компенсировать остаточную реакционную способность, внесет больше контрольных стержней. Каждый управляющий стержень (или пакет стержня) соответствует введению сложного механизма вождения. С одной стороны, это увеличивает затраты, а с другой стороны, открывающие отверстия в головке сосуда давления могут привести к снижению структурной прочности. Это не только неэкономично, но также не разрешается иметь определенное количество пористости и структурной прочности на головке сосуда давления. Однако без увеличения контрольных стержней необходимо увеличить концентрацию химических компенсирующих токсинов (таких как борная кислота), чтобы компенсировать оставшуюся реактивность. В этом случае концентрации бора легко превышать порог, и температурный коэффициент модератора станет положительным.

Чтобы избежать вышеупомянутых проблем, комбинация горючей токсинов, контрольных стержней и контроля химической компенсации, как правило, может использоваться для контроля.

（2) в качестве легирующей привычки для повышения производительности структурных материалов реактора

Реакторы требуют, чтобы структурные компоненты и топливные элементы имели определенный уровень прочности, коррозионной стойкости и высокой тепловой стабильности, а также предотвращают вход в охлаждающую жидкость.

1).

Ядерный реактор имеет экстремальные физические и химические условия, и каждый компонент реактора также имеет высокие требования для специальной стали. Редко -земные элементы оказывают особое изменение модификации на сталь, в основном включая очистку, метаморфизм, микрооплату и улучшение коррозионной стойкости. Редко -земля, содержащие стали, также широко используются в ядерных реакторах.

① Эффект очистки. Это связано с тем, что редкоземельные Земли могут реагировать с вредными элементами, такими как кислород и сера в расплавленной стали, чтобы генерировать высокотемпературные соединения. Высокотемпературные соединения могут быть осаждены и разряжены в виде включений до конденсации расплавленной стали, тем самым уменьшая содержание примесей в расплавленной стали.

② Метаморфизм: с другой стороны, оксиды, сульфиды или оксисульфиды, генерируемые реакцией редкоземельной земли в расплавленной стали с вредными элементами, такими как кислород и серная, можно частично сохраняться в расплавленной стали и стать включениями стали с высокой точкой плавления. Эти включения могут использоваться в качестве гетерогенных центров зародышеобразования во время затвердевания расплавленной стали, тем самым улучшая форму и структуру стали.

③ Микрооплается: если добавление редкоземелью еще больше увеличивается, оставшаяся редкоземельная земля будет растворена в стали после завершения вышеуказанной очистки и метаморфизма. Поскольку атомный радиус редкоземельной земли больше, чем у атома железа, редкоземельная земля обладает более высокой поверхностной активностью. Во время процесса затвердевания расплавленной стали элементы редкоземельной земли обогащаются на границе зерна, что может лучше уменьшить сегрегацию примеси на границе зерна, тем самым укрепляя твердый раствор и играя роль микроплавена. С другой стороны, из -за характеристик хранения водорода редкоземельных элементов они могут поглощать водород в стали, тем самым эффективно улучшая феномен охлаждения водорода.

④ Улучшение коррозионной стойкости: добавление редкоземельных элементов также может улучшить коррозионную стойкость стали. Это связано с тем, что редкоземельные земли имеют более высокий потенциал самостоятельной коррозии, чем нержавеющая сталь. Следовательно, добавление редкоземельных элементов может увеличить потенциал самостоятельной коррозии нержавеющей стали, тем самым улучшая стабильность стали в коррозионных средах.

2). Ключевое патентное исследование

Ключевой патент: изобретение патент на дисперсию оксида усилила сталь с низкой активацией и ее метод подготовки Институтом металлов, Китайская академия наук

Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the matrix is ​​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 ≤ мН ≤ 0,6%и 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Процесс производства: FE-CR-WV-TA-MN Mother Melting Slentting, распыление порошка, высокоэнергетический шариковый фрезерование материнского сплава иY2O3 наночастицаСмешанный порошок, разворачивание порошка, извлечение, затвердевание, горячее прокатывание и термообработка.

Метод добавления редкоземелью: добавить наноразмерY2O3Частицы для родительского сплава, атомированного порошка для высокоэнергетического шарикового фрезерования, с шариковой фрезеровальной средой составляют φ 6 и φ 10 смешанных твердых стальных шариков с атмосферой шарикового фрезерования 99,99% аргонового газа, массовое соотношение шарикового материала (8-10): 1, время шарикового фрезерования 40-70 часов и скорость вращения 350-500 r/мин.

3). Используется для создания материалов для защиты от нейтронов

① Принцип защиты от нейтронного излучения

Нейтроны представляют собой компоненты атомных ядер со статической массой 1,675 × 10-27 кг, что в 1838 раз превышает электронную массу. Его радиус составляет приблизительно 0,8 × 10-15 м, аналогичный по размеру с протоном, аналогично γ-лучей одинаково не заряжена. Когда нейтроны взаимодействуют с веществом, они в основном взаимодействуют с ядерными силами внутри ядра и не взаимодействуют с электронами во внешней оболочке.

При быстром развитии технологии ядерной энергии и ядерных реакторов все больше и больше внимания уделялось безопасности ядерного излучения и защиты ядерного излучения. Чтобы укрепить радиационную защиту для операторов, которые в течение длительного времени занимались обслуживанием радиационного оборудования и спасению несчастных случаев, это имеет большое научное значение и экономическую ценность для разработки легких экранирующих композитов для защитной одежды. Нейтроновое излучение является наиболее важной частью излучения ядерного реактора. Как правило, большинство нейтронов в прямом контакте с людьми замедлились до нейтронов с низким энергопотреблением после того, как нейтронный экранирующий эффект структурных материалов внутри ядерного реактора. Низкие энергетические нейтроны будут столкнуться с ядрами с более низким атомным числом упруги и будут продолжать модерироваться. Модерируемые тепловые нейтроны будут поглощаться элементами с более крупными поперечными сечениями нейтронов, и, наконец, будет достигнуто экранирование нейтронов.

② Ключевое патентное исследование

Пористые и органические гибридные свойстваредкоземельный элементГадолинийМатериалы органических скелетов на основе металла увеличивают их совместимость с полиэтиленом, способствуя синтезированным композитным материалам, чтобы иметь более высокое содержание гадолиния и дисперсию гадолиния. Высокое содержание гадолиния и дисперсия будут напрямую влиять на производительность экранирования нейтронов композитных материалов.

Ключевой патент: Институт материальных наук Хефей, Китайская академия наук, патент на изобретение органического экранирующего материала на основе гадолиния и его метода подготовки

Патентный реферат: металлический скелетный скелетный скелетный материал на основе гадолиния - это композитный материал, образованный путем смешиванияГадолинийМеталлический металлический скелетный материал с полиэтиленом в весовом соотношении 2: 1: 10 и образуя его посредством испарения растворителя или горячего прессования. Металлические металлические скелетные экранирующие материалы на основе гадолиния обладают высокой тепловой стабильностью и способностью к экранированию тепловых нейтронов.

Процесс производства: выбор разныхГадолиний металлСоли и органические лиганды для приготовления и синтеза различных типов металлических материалов на основе гадолиния, промывки их небольшими молекулами метанола, этанола или воды путем центрифугирования и активируя их при высокой температуре в условиях вакуума, чтобы полностью удалить остаточный нереагированный сырой материал в полях металлического скелета на основе гадолиния; Органометаллический скелетный материал на основе гадолиния, приготовленный на стадию, перемешивается полиэтиленовым лосьоном на высокой скорости или ультразвуковой или ультразвуковой, или на основе гадолиния органометаллический скелетный материал, приготовленный с шагом, смешан с ультра-высоким молекулярным полиэтиленом при высокой температуре до полного смешанного; Поместите равномерно смешанную металлическую металлическую скелетную смесь на основе гадолиния в форму и получить образованный металлический металлический скелетный экранирующий материал на основе гадолиния путем высушивания, чтобы способствовать испащению растворителя или горячим прессованием; Приготовленный металлический металлический скелетный экранирующий материал на основе гадолиния значительно улучшил теплостойкость, механические свойства и верхнюю способность к экранированию тепловых нейтронов по сравнению с чистыми полиэтиленовыми материалами.

Редко -заземление режим добавления: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 или GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Пористый кристаллический координационный полимер, содержащий гадолиний, который получается координационной полимеризациейGD (NO3) 3 • 6H2O или GDCL3 • 6H2Oи органический карбоксилатный лиганд; Размер металлического металлического скелетного материала на основе гадолиния составляет 50 нм-2 мкм металлические металлические материалы на основе гадолиния, в том числе гранулированные, стержневые или игольчатые формы.

（4) ПрименениеСкандийв радиохимии и ядерной промышленности

Скандальный металл обладает хорошей тепловой стабильностью и сильными характеристиками поглощения фтора, что делает его незаменимым материалом в атомной энергетической промышленности.

Ключевой патент: Китайская аэрокосмическая разработка Пекинского института авиационных материалов, патент на изобретение на алюминиевый сплав с скандалом с алюминиевым магнием и его метод подготовки

Патентная реферат: алюминиевый цинкМагниевый сплайт сплави его метод подготовки. Химический состав и процент веса алюминиевого сплавного сплава с скандием с магниевым магнием составляют: мг 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, ZR 0,04%-0,35%, примеси Cu ≤ 0,2%, SI ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, другие безретенсивности ≤ 0,2%, 0,35%, Fe ≤ 0,4%, другие безретенсивности ≤ 0,05%≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, безретенточности ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, безретенточности ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%. 0,15%, а оставшаяся сумма - al. Микроструктура этого алюминиевого сплавного сплавного сплавного сплавного материала цинка является равномерной, и его характеристики стабильны, с предельной прочностью на растяжение более 400 МПа, прочностью урожая более 350 МПа и прочностью на растяжение более 370 МПа для сварных соединений. Материальные продукты могут использоваться в качестве структурных элементов в аэрокосмической, атомной промышленности, транспорте, спортивных товарах, оружии и других областях.

Процесс производства: Шаг 1, ингредиент в соответствии с вышеуказанным составом сплава; Шаг 2: Расплавлять в печи плавки при температуре 700 ℃ ~ 780 ℃; Шаг 3: Уточните полностью растопленную металлическую жидкость и поддерживайте температуру металла в диапазоне 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​во время уточнения; Шаг 4: После переработки его следует полностью разрешить стоять на месте; Шаг 5: После полного стояния, запустите лить, поддерживайте температуру печи в диапазоне 690 ℃ ~ 730 ℃, а скорость литья составляет 15-200 мм/минута; Шаг 6: Выполните лечение гомогенизации отжигания на сплавном слитках в нагревательной печи с температурой гомогенизации 400 ~ 470 ℃; Шаг 7: Очистите гомогенизированный слиток и выполните горячую экструзию, чтобы произвести профили толщиной стенки более 2,0 мм. Во время процесса экструзии заготовка следует поддерживать при температуре от 350 до 410 ℃; Шаг 8: Сожмите профиль для обработки для гашения раствора, с температурой раствора 460-480 ℃; Шаг 9: Через 72 часа твердого гасителя раствора, вручную силу старения. Система старения ручной силы: 90 ~ 110 ℃/24 часа+170 ~ 180 ℃/5 часов, или 90 ~ 110 ℃/24 часа+145 ~ 155 ℃/10 часов.

5 、 Резюме исследования

В целом редкоземель широко используется в ядерном слиянии и ядерном делении, и имеют много патентных планировков в таких технических направлениях, как рентгеновское возбуждение, образование плазмы, реактор с легкой водой, трансараниум, ураниловый и оксидный порошок. Что касается реакторных материалов, редкоземельные Земли могут использоваться в качестве структурных материалов реактора и связанных с ними керамических изоляционных материалов, материалов управления и материалов для защиты от нейтронов.