Aplicação de elementos de terras raras em materiais nucleares

1 、 Definição de materiais nucleares

Em um sentido amplo, o material nuclear é o termo geral para materiais utilizados exclusivamente na indústria nuclear e na pesquisa científica nuclear, incluindo combustível nuclear e materiais de engenharia nuclear, ou seja, materiais de combustível não nuclear.

Os comumente referidos aos materiais nucleares se referem principalmente a materiais usados ​​em várias partes do reator, também conhecidas como materiais do reator. Os materiais do reator incluem combustível nuclear que sofre fissão nuclear sob bombardeio de nêutrons, materiais de revestimento para componentes de combustível nuclear, refrigerantes, moderadores de nêutrons (moderadores), materiais de haste de controle que absorvem fortemente os nêutrons e materiais reflexivos que impedem o vazamento de nêutrons fora do reator.

2 、 COMPREENCIO DE CO A RECORAÇÕES DE TERRA RARA E RECURSOS NUCLELENTES

A monazita, também chamada fosfocerita e fosfocerita, é um mineral acessório comum em rocha ígnea ácida intermediária e rocha metamórfica. A monazita é um dos principais minerais de minério de metal de terras raras e também existe em alguma rocha sedimentar. Vermelho acastanhado, amarelo, às vezes amarelo acastanhado, com brilho oleoso, clivagem completa, dureza MOHS de 5-5,5 e gravidade específica de 4,9-5.5.

O principal mineral de minério de alguns depósitos de terras raras do tipo placer na China é monazita, localizada principalmente em Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan e He County, Guangxi. No entanto, a extração dos recursos da Terra Rara do tipo placer geralmente não tem significado econômico. As pedras solitárias geralmente contêm elementos reflexivos de tório e também são a principal fonte de plutônio comercial.

3 、 Visão geral da aplicação de terras raras em fusão nuclear e fissão nuclear com base na análise panorâmica de patentes

Depois que as palavras -chave dos elementos de busca de terras raras são totalmente expandidas, elas são combinadas com as chaves de expansão e os números de classificação da fissão nuclear e da fusão nuclear e pesquisados ​​no banco de dados Incopt. A data da pesquisa é 24 de agosto de 2020. 4837 Patentes foram obtidas após a fusão da família simples e 4673 patentes foram determinadas após a redução de ruído artificial.

Rare earth patent applications in the field of nuclear fission or nuclear fusion are distributed in 56 countries/regions , mainly concentrated in Japan, China, the United States, Germany and Russia, etc. A considerable number of patents are applied in the form of PCT, of which Chinese patent technology applications have been increasing, especially since 2009, entering a rapid growth stage, and Japan, the United States and Russia have continued to layout in this field for many years (Figure 1).

Figura 1 Aplicação tendência de patentes tecnológicas relacionadas à aplicação de terras raras na fissão nuclear nuclear e fusão nuclear em países/regiões

Pode ser visto a partir da análise de temas técnicos que a aplicação da Terra Rara na fusão nuclear e na fissão nuclear se concentra em elementos de combustível, cintiladores, detectores de radiação, actinídeos, plasmas, reatores nucleares, materiais de proteção, absorção de nêutrons e outras direções técnicas.

4 、 Aplicações específicas e pesquisa -chave de patentes de elementos de terras raras em materiais nucleares

Entre eles, as reações de fusão nuclear e fissão nuclear em materiais nucleares são intensas, e os requisitos para materiais são rigorosos. Atualmente, os reatores de energia são principalmente reatores de fissão nuclear, e os reatores de fusão podem ser popularizados em larga escala após 50 anos. A aplicação deTerra raraelementos em materiais estruturais do reator; Em campos químicos nucleares específicos, os elementos de terras raras são usadas principalmente em hastes de controle; Além disso,escândiotambém foi usado na indústria radioquímica e nuclear.

（1) como veneno combustível ou haste de controle para ajustar o nível de nêutrons e o estado crítico do reator nuclear

Nos reatores de energia, a reatividade residual inicial de novos núcleos é geralmente relativamente alta. Especialmente nos estágios iniciais do primeiro ciclo de reabastecimento, quando todo o combustível nuclear no núcleo é novo, a reatividade restante é a mais alta. Nesse ponto, confiar apenas no aumento das hastes de controle para compensar a reatividade residual introduziria mais hastes de controle. Cada haste de controle (ou pacote de haste) corresponde à introdução de um mecanismo de acionamento complexo. Por um lado, isso aumenta os custos e, por outro lado, abrindo orifícios na cabeça do vaso de pressão pode levar a uma diminuição da força estrutural. Não é apenas não econômico, mas também não tem permissão para ter uma certa quantidade de porosidade e força estrutural na cabeça do vaso de pressão. No entanto, sem aumentar as hastes de controle, é necessário aumentar a concentração de toxinas compensadoras químicas (como o ácido bórico) para compensar a reatividade restante. Nesse caso, é fácil para a concentração de boro exceder o limiar, e o coeficiente de temperatura do moderador se tornará positivo.

Para evitar os problemas acima mencionados, uma combinação de toxinas combustíveis, hastes de controle e controle de compensação química geralmente pode ser usada para controle.

（2) Como dopante para melhorar o desempenho dos materiais estruturais do reator

Os reatores exigem que componentes estruturais e elementos de combustível tenham um certo nível de resistência, resistência à corrosão e alta estabilidade térmica, além de impedir que produtos de fissão entrem no líquido de arrefecimento.

1) .Rare Earth Steel

O reator nuclear possui condições físicas e químicas extremas e cada componente do reator também possui altos requisitos para o aço especial usado. Os elementos de terras raras têm efeitos especiais de modificação no aço, incluindo principalmente purificação, metamorfismo, microalloying e melhoria da resistência à corrosão. Aços de terras raras também são amplamente utilizadas em reatores nucleares.

① Efeito de purificação: a pesquisa existente mostrou que as terras raras têm um bom efeito de purificação no aço fundido a altas temperaturas. Isso ocorre porque as terras raras podem reagir com elementos nocivos, como oxigênio e enxofre no aço fundido, para gerar compostos de alta temperatura. Os compostos de alta temperatura podem ser precipitados e descarregados na forma de inclusões antes que o aço fundido condense, reduzindo assim o conteúdo de impureza no aço fundido.

② Metamorfismo: Por outro lado, os óxidos, sulfetos ou oxisulfetos gerados pela reação da Terra Rara no aço fundido com elementos nocivos, como oxigênio e enxofre, podem ser retidos parcialmente no aço fundido e se tornar inclusões de aço com alto ponto de fusão. Essas inclusões podem ser usadas como centros de nucleação heterogênea durante a solidificação do aço fundido, melhorando assim a forma e a estrutura do aço.

Microalloying: Se a adição de Terra Rara aumentar ainda mais, a Terra Rara restante será dissolvida no aço após a conclusão da purificação e o metamorfismo acima. Como o raio atômico da Terra Raro é maior que o do átomo de ferro, a Terra Rara tem maior atividade superficial. Durante o processo de solidificação do aço fundido, os elementos de terras raras são enriquecidas no limite de grãos, o que pode reduzir melhor a segregação de elementos de impureza no limite de grãos, fortalecendo assim a solução sólida e desempenhando o papel da microalloga. Por outro lado, devido às características de armazenamento de hidrogênio das terras raras, elas podem absorver hidrogênio no aço, melhorando efetivamente o fenômeno de fragilização de hidrogênio do aço.

④ Melhorando a resistência à corrosão: a adição de elementos de terras raras também pode melhorar a resistência à corrosão do aço. Isso ocorre porque as terras raras têm um potencial de auto -corrosão mais alto que o aço inoxidável. Portanto, a adição de terras raras pode aumentar o potencial de auto -corrosão do aço inoxidável, melhorando assim a estabilidade do aço em meios corrosivos.

2). Estudo -chave de patente

Patente -chave: Patente de invenção de uma dispersão de óxido fortaleceu a aço de baixa ativação e seu método de preparação pelo Instituto de Metais, Academia Chinesa de Ciências

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 ≤ mn ≤ 0,6%e 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Processo de fabricação: Fe-Cr-WV-T-TA-Mn Alloa-Mãe, atomização em pó, moagem de bolas de alta energia da liga mãe eNanopartícula Y2O3Pó misto, extração envolvente em pó, moldagem por solidificação, rolagem a quente e tratamento térmico.

Método de adição de terras raras: adicione nanoescalaY2o3Partículas para a liga pai em pó atomizado para moagem de bolas de alta energia, com o meio de moagem de esferas φ 6 e φ 10 bolas de aço duras mistas, com uma atmosfera de moagem de esferas de 99,99% de gasolina, uma proporção de massa de material de bola de (8-10): 1, um tempo de moagem de esferas de 40 a 70 horas e uma velocidade de rodada de 350-50): 1, um tempo de moagem de esferas de 40 a 70 horas.

3) .Used para fazer materiais de proteção contra radiação de nêutrons

① Princípio da proteção contra radiação de nêutrons

Os nêutrons são componentes dos núcleos atômicos, com uma massa estática de 1,675 × 10-27kg, que é 1838 vezes a massa eletrônica. Seu raio é de aproximadamente 0,8 × 10-15m, semelhante em tamanho a um próton, semelhante aos raios γ são igualmente não carregados. Quando os nêutrons interagem com a matéria, eles interagem principalmente com as forças nucleares dentro do núcleo e não interagem com os elétrons na concha externa.

Com o rápido desenvolvimento da energia nuclear e da tecnologia de reatores nucleares, mais e mais atenção foi dada à segurança da radiação nuclear e à proteção da radiação nuclear. Para fortalecer a proteção da radiação para operadores que estão envolvidos em manutenção de equipamentos de radiação e resgate de acidentes há muito tempo, é de grande significado científico e valor econômico desenvolver compósitos de proteção leve para roupas de proteção. A radiação de nêutrons é a parte mais importante da radiação do reator nuclear. Geralmente, a maioria dos nêutrons em contato direto com os seres humanos foi desacelerado para nêutrons de baixa energia após o efeito de blindagem de nêutrons dos materiais estruturais dentro do reator nuclear. Os nêutrons de baixa energia colidirão com núcleos com menor número atômico elasticamente e continuarão a ser moderados. Os nêutrons térmicos moderados serão absorvidos por elementos com seções transversais de absorção de nêutrons maiores e, finalmente, a blindagem de nêutrons será alcançada.

② Estudo -chave de patente

As propriedades híbridas porosas e orgânicas-inorgânicasElemento de Terra RaraGadolínioOs materiais de esqueletos orgânicos metálicos baseados em metal aumentam sua compatibilidade com o polietileno, promovendo os materiais compósitos sintetizados para ter maior teor de gadolínio e dispersão de gadolínio. O alto teor de gadolínio e a dispersão afetarão diretamente o desempenho de blindagem de nêutrons dos materiais compostos.

Patente -chave: Instituto de Ciência Material HEFEI, Academia Chinesa de Ciências, Patente de Invenção de um Material de Escudo composto de Estrutura Orgânica baseada em Gadolinium e seu método de preparação

Resumo da patente: Material de proteção ao esqueleto orgânico de metal à base de gadolínio é um material composto formado pela misturaGadolínioMaterial de esqueleto orgânico de metal baseado em polietileno em uma proporção de peso de 2: 1: 10 e formando -o através de evaporação de solvente ou prensagem a quente. Materiais de proteção composta por esqueleto orgânico à base de gadolínio têm alta estabilidade térmica e capacidade de blindagem de nêutrons térmicos.

Processo de fabricação: selecionando diferenteMetal de gadolíniosalts and organic ligands to prepare and synthesize different types of gadolinium based metal organic skeleton materials, washing them with small molecules of methanol, ethanol, or water by centrifugation, and activating them at high temperature under vacuum conditions to fully remove the residual unreacted raw materials in the pores of the gadolinium based metal organic skeleton materials; O material de esqueleto organometálico à base de gadolínio preparado em etapa é agitado com loção de polietileno em alta velocidade, ou ultrasonicamente, ou o material esqueleto orgometálico à base de gadolínio preparado em etapa é fusão misturada com polietileno de peso molecular ultra alto em alta temperatura até totalmente misturada; Coloque a mistura de esqueleto orgânico de metal à base de gadolínio misto uniformemente/polietileno no molde e obtenha o material de proteção de esqueleto orgânico de esqueleto orgânico à base de gadolínio formado, secando para promover a evaporação de solvente ou a prensagem quente; O material de blindagem composta de esqueleto orgânico de metal à base de gadolínio

Modo de adição de terra rara: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 ou GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Polímero de coordenação cristalina porosa contendo gadolínio, obtido pela polimerização de coordenação deGD (NO3) 3 • 6H2O ou GDCL3 • 6H2Oe ligante de carboxilato orgânico; O tamanho do material esqueleto orgânico de metal à base de gadolínio é de 50nm-2 μm de materiais de esqueleto orgânico à base de gadolínio, com formas diferentes de morfologias, incluindo formas granulares, em forma de haste ou em forma de agulha.

（4) Aplicação deEscândiona indústria radioquímica e nuclear

O Scandium Metal tem boa estabilidade térmica e forte desempenho de absorção de flúor, tornando -o um material indispensável na indústria de energia atômica.

Patente -chave: Desenvolvimento aeroespacial da China Instituto de Materiais Aeronáuticos, Patente de Invenção para uma liga de escândio de magnésio de zinco de alumínio e seu método de preparação

Resumo da patente: um zinco de alumínioliga de escândio de magnésioe seu método de preparação. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0.15%, e a quantidade restante é Al. A microestrutura desse material de liga de escândio de magnésio de magnésio de alumínio é uniforme e seu desempenho é estável, com uma resistência à tração final de mais de 400MPa, uma força de escoamento superior a 350mpa e uma resistência à tração acima de 370MPa para juntas soldadas. Os produtos materiais podem ser usados ​​como elementos estruturais na aeroespacial, indústria nuclear, transporte, artigos esportivos, armas e outros campos.

Processo de fabricação: Etapa 1, ingrediente de acordo com a composição acima da liga; Etapa 2: derreta no forno de fundição a uma temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Etapa 3: refine o líquido de metal completamente derretido e mantenha a temperatura do metal dentro da faixa de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante o refino; Etapa 4: Após o refinamento, ele deve ficar totalmente parado; Etapa 5: Depois de ficar totalmente em pé, comece a fundir, mantenha a temperatura do forno dentro da faixa de 690 ℃ ~ 730 ℃ e a velocidade de fundição é de 15-200 mm/minuto; Etapa 6: Realize o tratamento de recozimento de homogeneização no lingote da liga no forno de aquecimento, com uma temperatura de homogeneização de 400 ℃ ~ 470 ℃; Etapa 7: descasque o lingote homogeneizado e execute a extrusão quente para produzir perfis com uma espessura de parede acima de 2,0 mm. Durante o processo de extrusão, o tarugo deve ser mantido a uma temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Etapa 8: esprema o perfil para o tratamento da solução de solução, com uma temperatura da solução de 460-480 ℃; Etapa 9: Após 72 horas de extinção de solução sólida, forçar manualmente o envelhecimento. O sistema de envelhecimento da força manual é: 90 ~ 110 ℃/24 horas+170 ~ 180 ℃/5 horas, ou 90 ~ 110 ℃/24 horas+145 ~ 155 ℃/10 horas.

5 、 Resumo da pesquisa

No geral, as terras raras são amplamente utilizadas na fusão nuclear e na fissão nuclear, e têm muitos layouts de patentes em direções técnicas como excitação de raios-X, formação de plasma, reator de água clara, transuranium, uranil e pó de óxido. Quanto aos materiais do reator, as terras raras podem ser usadas como materiais estruturais do reator e materiais de isolamento de cerâmica relacionados, materiais de controle e materiais de proteção contra radiação de nêutrons.