1 、 Tuumamaterjalide määratlus
Laius tähenduses on tuumamaterjal, mida kasutatakse ainult tuumatööstuses kasutatavate materjalide ja tuumateadusuuringute, sealhulgas tuumakütuste ja tuumaehituse materjalide, st tuumakütuse materjalide, mitte tuumakütuse materjalide osas.
Tuumamaterjalidele tavaliselt viidatud materjalidele viidatakse peamiselt reaktori erinevates osades, mida nimetatakse ka reaktori materjalides. Reaktori materjalide hulka kuulub tuumakütus, mis läbib tuuma lõhustumise neutronite pommitamise ajal, tuumakütuse komponentide kattematerjalid, jahutusvedelikud, neutronmoderaatorid (moderaatorid), kontrollvarda materjalid, mis neelavad tugevalt neutroneid, ja peegeldavaid materjale, mis takistavad neutroni leket väljaspool reaktorit.
2 、 Co -ga seotud seos haruldaste muldmetallide ja tuumaressursside vahel
Monasiit, mida nimetatakse ka fosfoceriidiks ja fosfoceriidiks, on tavaline aksessuaar mineraal vahepealse happelise tardkivimi ja metamorfse kivimi korral. Monasiit on haruldaste muldmetallide metallimaagi üks peamisi mineraale ja eksisteerib ka mõnes settekivis. Pruunikas punane, kollane, mõnikord pruunikas kollane, rasvase läikega, täielik lõhustamine, MOHS-i kõvadus 5-5,5 ja spetsiifilise gravitatsiooniga 4,9-5,5.
Mõne platsi tüüpi haruldaste muldmetallide peamine mineraal on Hiinas monasiit, mis asub peamiselt Tongchengis, Hubeis, Yueyangis, Hunanis, Shangraos, Jiangxis, Menghais, Yunnanis ja He County, Guangxi. Kuid platsi tüüpi haruldaste muldmetallide ressursside kaevandamisel pole sageli majanduslikku tähtsust. Üksildased kivid sisaldavad sageli refleksiivseid tooriumielemente ja on ka peamine kaubandusliku plutooniumi allikas.
3 、 Patendi panoraam analüüsi põhjal haruldaste muldmetallide kasutamise ülevaade tuuma sulandumisel ja tuuma lõhustumisel
Pärast seda, kui haruldaste muldmetallide otsinguelementide märksõnad on täielikult laienenud, kombineeritakse need tuuma lõhustumise ja tuuma sulandumise laiendusvõtmete ja klassifikatsiooniarvuga ning otsitakse IncopT andmebaasis. Otsimiskuupäev on 24. august 2020. Pärast perekonna lihtsat ühinemist saadi 4837 patenti ja pärast kunstliku müra vähendamist määrati 4673 patenti.
Tuumaenergia lõhustumise või tuuma sulandumise valdkonnas levivad haruldaste muldmetallide patenditaotlused 56 riigis/piirkonnas, mis on koondunud peamiselt Jaapanis, Hiinas, Ameerika Ühendriikides, Saksamaal ja Venemaal jne. PCT -vormingus rakendatakse märkimisväärset arvu patente, millest Hiina patenditehnoloogia rakendused on suurenenud, eriti alates 2009. aastast, mis on alates 2009. aastast. Jaapani ja Venemaa jaoks on see jätkunud.
Joonis 1 Haruldaste muldmetallide kasutamisega seotud tehnoloogiapatentide rakendussuund tuuma tuuma lõhustumisel ja tuuma sulandumisel riikides/piirkondades
Tehniliste teemade analüüsist võib näha, et haruldaste muldmetallide kasutamine tuuma sulandumisel ja tuuma lõhustumisel keskendub kütuseelementidele, stsintillaatoritele, kiirgusetektorile, aktiiniididele, plasmadele, tuumareaktoritel, vardastusmaterjalidele, neutronite neeldumisele ja muudele tehnilistele juhistele.
4 、 Tuumamaterjalide haruldaste muldmetallide elementide konkreetsed rakendused ja peamised patendiuuringud
Nende hulgas on tuumade sulandumine ja tuuma lõhustumise reaktsioonid tuumamaterjalides intensiivsed ja materjalide nõuded on ranged. Praegu on energiareaktorid peamiselt tuuma lõhustumisreaktorid ja termotuumasünteesi reaktorid võivad 50 aasta pärast suures mahus populariseerida. Rakendamineharuldane muldkehaelemendid reaktori konstruktsioonimaterjalides; Konkreetsetes tuumakeemilistes väljades kasutatakse haruldaste muldmetallide elemente peamiselt kontrollvardades; Lisaksskandiumon kasutatud ka radiokeemia ja tuumatööstuses.
（1） kui põletav mürk või kontrollvarras, et reguleerida tuumareaktori neutronitaset ja kriitilist seisundit
Elektrienergia reaktorites on uute südamike esialgne jääkreaktsioonivõime üldiselt suhteliselt kõrge. Eriti esimese tankimistsükli varases staadiumis, kui kogu tuumakütus on südamlik, on ülejäänud reaktsioonivõime kõrgeim. Sel hetkel tooks jääkreaktsioonivõime kompenseerimiseks tuginedes ainult kontrollvardade suurendamisele rohkem kontrollvardasid. Iga juhtvarras (või varda kimp) vastab keeruka sõidumehhanismi kasutuselevõtule. Ühest küljest suurendab see kulusid ja teisest küljest võib survenuma pea augud avada struktuurilise tugevuse vähenemise. See pole mitte ainult ebaökonoomne, vaid ka rõhunumal pea peal pole lubatud teatud palju poorsust ja struktuurset tugevust. Kontrollvardade suurendamiseta on siiski vaja suurendada keemiliste kompenseerivate toksiinide (näiteks boorhappe) kontsentratsiooni, et kompenseerida järelejäänud reaktsioonivõimet. Sel juhul on boori kontsentratsioonil lihtne ületada läve ja moderaatori temperatuuri koefitsient muutub positiivseks.
Eespool nimetatud probleemide vältimiseks saab kontrollimiseks tavaliselt kasutada põlevaid toksiine, kontrollvarda ja keemilise kompensatsiooni kontrolli.
（2） kui dopant, et suurendada reaktori konstruktsioonimaterjalide jõudlust
Reaktorid vajavad konstruktsioonikomponente ja kütuseelemente teatud tugevuse, korrosioonikindluse ja kõrge termilise stabiilsuse tasemel, hoides samal ajal ära lõhustumisproduktid jahutusvedeliku sisenemise.
1).
Tuumareaktoril on äärmuslikud füüsikalised ja keemilised tingimused ning reaktori igal komponendil on ka kasutatud spetsiaalse terase jaoks kõrged nõuded. Haruldaste muldmetallide elementidel on spetsiaalne modifikatsioonimõju terasele, hõlmates peamiselt puhastamist, metamorfismi, mikroralloosimist ja korrosioonikindluse parandamist. Haruldaste muldmetallide sisaldavaid teraseid kasutatakse laialdaselt ka tuumareaktorites.
① Puhastamise efekt: Olemasolevad uuringud on näidanud, et haruldaste muldmetallide puhastusmõju on sulaterasele kõrgel temperatuuril. Selle põhjuseks on asjaolu, et haruldased muldad võivad reageerida sulanud terases olevate kahjulike elementidega nagu hapnik ja väävel, et tekitada kõrgtemperatuurilisi ühendeid. Kõrgtemperatuurilisi ühendeid saab enne sulaterase kondenseerumist sadestada ja tühjendada lisamiste kujul, vähendades sellega sulatehase lisandite sisaldust.
② Metamorfism: Teisest küljest saab haruldaste muldmetallide reageerimisel sulaterases tekitatud oksiidid, sulfiidid või oksüsulfiidid kahjulike elementidega, näiteks hapniku ja väävliga, osaliselt säilitada sulaterases ja muutuda terase lisamiseks kõrge sulamispunktiga. Neid kaasatusi saab sulaterase tahkestamisel kasutada heterogeensete tuumakeskustena, parandades sellega terase kuju ja struktuuri.
③ Mikroralloying: kui haruldaste muldmetallide lisamine suurendatakse veelgi, lahustub ülejäänud muldmetallas terases pärast ülaltoodud puhastamist ja metamorfismi lõpuleviimist. Kuna haruldaste muldmetallide aatomiraadius on suurem kui raua aatomil, on haruldasel muinas pinna aktiivsus suurem. Sulaterase tahkestamisprotsessi käigus rikastatakse haruldaste muldmetallide elemente terapiiril, mis võib paremini vähendada teravilja piiril asuvate lisandite elementide segregatsiooni, tugevdades sellega tahket lahust ja mängides mikroralloyingu rolli. Teisest küljest võivad need haruldaste muldmetallide vesiniku säilitamise omaduste tõttu absorbeerida vesinikku terasest, parandades sellega tõhusalt terase vesiniku omastamise nähtust.
④ korrosioonikindluse parandamine: haruldaste muldmetallide lisamine võib parandada ka terase korrosioonikindlust. Selle põhjuseks on asjaolu, et haruldastel muldadel on kõrgem enesekorrosioonipotentsiaal kui roostevabast terasest. Seetõttu võib haruldaste muldmetallide lisamine suurendada roostevabast terase enesekorrosioonipotentsiaali, parandades seeläbi terase stabiilsust söövitavates söötmetes.
2). Peamine patendiuuring
Põhipatent: Oksiidi dispersiooni leiutamise patent tugevdas madala aktiveerimise terast ja selle ettevalmistusmeetodit metalliinstituudi poolt, Hiina Teaduste Akadeemia
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%ja 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.
Tootmisprotsess: FE-CR-WV-TA-MN emasulami sulatamine, pulbri pihustamine, ema sulami suure energiatarbega kuuli jahvatamine jaY2O3 nanoosakeSegapulber, pulber ümbritsev ekstraheerimine, tahkestusvormimine, kuum veeremine ja kuumtöötlus.
Haruldaste muldmetallide lisamismeetod: lisage nanomõõttusY2O3Osakesed vanemate sulamiga pihustatud pulbriga suure energiatarbega kuuli jahvatamiseks, kusjuures kuuli jahvatusvahend on φ 6 ja φ 10 segatud kõva terasepall, mille kuuli freesi atmosfäär on 99,99% argoonigaasi, kuulimaterjali massi suhe (8-10): 1, kuuli jahvatatud aeg 40–70 tundi ja pöörleva kiirusega 350-tunnine.
3）. Kasutatakse neutronkiirguse kaitsematerjalide valmistamiseks
① Neutronkiirguse kaitse põhimõte
Neutronid on aatomituumade komponendid, staatiline mass on 1,675 × 10–27 kg, mis on 1838-kordne elektrooniline mass. Selle raadius on umbes 0,8 × 10-15m, sarnaselt prootoniga, sarnaselt γ-kiirtega on sama laadimata. Kui neutronid interakteeruvad ainega, suhtlevad nad peamiselt tuumas olevate tuumajõududega ega suhtle välimiskoore elektronidega.
Tuumaenergia ja tuumareaktori tehnoloogia kiire arenguga on üha enam tähelepanu pööratud tuumakiirguse ohutuse ja tuumakiirguse kaitsele. Kiirguskaitse tugevdamiseks operaatoritele, kes on pikka aega tegelenud kiirgusseadmete säilitamise ja õnnetuste päästmisega, on suur teaduslik tähtsus ja majanduslik väärtus, et arendada kaitseriietuse kergeid varjestuskomposiite. Neutronkiirgus on tuumareaktori kiirguse kõige olulisem osa. Üldiselt on enamik otseses kontaktis inimestega seotud neutronitest aeglustatud madala energiatarbega neutroniteni pärast tuumareaktoris asuvate konstruktsioonimaterjalide neutronivarjestuse mõju. Madala energiaga neutronid põrkuvad elastselt madalama aatomnumbriga tuumadega ja neid modereeritakse jätkuvalt. Modereeritud termilised neutronid imenduvad suuremate neutronide neeldumise ristlõikega elementidega ja lõpuks saavutatakse neutronivarjestus.
② Peamine patendiuuring
Poorsed ja orgaanilised anorgaanilised hübriidsed omadusedharuldaste muldmetallide elementgadoliiniumPõhinevad metallist orgaanilised luustiku materjalid suurendavad nende ühilduvust polüetüleeniga, soodustades sünteesitud komposiitmaterjalidele suuremat gadoliiniumi sisaldust ja gadoliiniumi dispersiooni. Gadoliiniumi kõrge sisaldus ja dispersioon mõjutavad otseselt komposiitmaterjalide neutronivarjestuse jõudlust.
Põhipatent: Hefei materjaliteaduse instituut, Hiina Teaduste Akadeemia, Gadoliiniumil põhineva orgaanilise raamistiku leiutise patent komposiitvarjutusmaterjal ja selle ettevalmistamise meetod
Patendi kokkuvõte: Gadoliiniumil põhinev metallist orgaaniline luustik komposiitvarjutusmaterjal on komposiitmaterjal, mis on moodustatud segamisegagadoliiniumpõhineb metallist orgaanilise skeleti materjal polüetüleeniga massisuhtega 2: 1: 10 ja moodustades selle lahusti aurustumise või kuuma pressimise kaudu. Gadoliiniumil põhineva metalli orgaanilise skeleti komposiitvarjutusmaterjalidel on kõrge termiline stabiilsus ja termiline neutroni varjestusvõime.
Tootmisprotsess: erinevate valiminegadoliiniummetallSoolad ja orgaanilised ligandid, et valmistada ja sünteesida erinevat tüüpi gadoliiniumil põhinevaid metallist orgaanilisi skeletimaterjale, peseda neid väikeste molekulidega metanooli, etanooli või veega tsentrifuugimise teel ja aktiveerides neid kõrgel temperatuuril vaakumoludes, et täielikult eemaldada riivamata toorained Gadoliniumi orgaanilistest osadest; Gadoliiniumil põhinevat etapis valmistatud organometallilist skeleti materjali segatakse polüetüleenist kreemiga suurel kiirusel või ultraheliliselt või astmes valmistatud gadoliiniumil põhinev organometalliline skelettmaterjal on sulatatud ultra-kõrge molekulmassiga polüetüleeniga kõrgel temperatuuril, kuni see on täielikult segunenud; Asetage vormis ühtlaselt segatud gadoliiniumil põhinev metallist orgaaniline luustikumaterjal/polüetüleenisegu ja hankige moodustatud Gadoliiniumil põhinev metallist orgaaniline skelett komposiitvarjestusmaterjal, kuivatades lahusti aurustumise või kuuma pressimise soodustamiseks; Valmistatud gadoliiniumil põhineval metallist orgaanilisel skeleti komposiitvarjestusmaterjalil on soojustakistus, mehaanilised omadused ja parem soojuse neutronivarjestusvõime märkimisväärselt paranenud, võrreldes puhta polüetüleenimaterjalidega.
Haruldaste muldmetallide lisamisrežiim: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 või GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 poorset kristalset koordinatsioonipolümeerit, mis sisaldab gadoliiniumit, mis saadakse koordinatsiooni polümerisatsiooni abilGD (NO3) 3 • 6H2O või GDCL3 • 6H2Oja orgaaniline karboksülaadi ligand; Gadoliiniumil põhineva metalli orgaanilise luustiku materjali suurus on 50NM-2 μm ； Gadoliiniumil põhinevad metallist orgaaniliste skeletimaterjalidega erinevad morfoloogiad, sealhulgas granuleeritud, vardakujulised või nõelakujulised kujundid.
（4） rakendamineSkandiumradiokeemia ja tuumatööstuses
Skandiummetallil on hea termiline stabiilsus ja tugev fluori neeldumisvõime, muutes selle aatomienergia tööstuses hädavajalikuks materjaliks.
Põhipatent: Hiina kosmose areng Pekingi lennundusmaterjalide instituut, alumiiniumist tsingi magneesiumisulami leiutiste patent ja selle ettevalmistamise meetod
Patendi kokkuvõte: alumiiniumist tsinkmagneesiumiskandiumi sulamja selle ettevalmistamise meetod. Alumiiniumist tsingimagneesiumi skandiumisulami keemiline koostis ja kaaluprotsent on: 1,0%-2,4%, zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, zr 0,04%-0,35%, Impursies ≤ 0,05%, SI ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,35%, si ≤ 0,35%, fe ≤ 0,05%, sirusid, mis on 0,04%-0,35%, SC 0,04%-0,30%, SCU ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,05%, sirusid, sirusid, SI ≤ 0,35%. 0,15%ja ülejäänud kogus on al. Selle alumiiniumist tsingimagneesiumi skandiumisulamist materjali mikrostruktuur on ühtlane ja selle jõudlus on stabiilne, ülima tõmbetugevuse korral on üle 400MPa, saagikuse tugevus üle 350MPa ja tõmbetugevus üle 370MPA keevitatud liigeste jaoks. Materiaalseid tooteid saab kasutada lennunduse, tuumatööstuse, transpordi, spordikaupade, relvade ja muude põldude struktuurielementidena.
Tootmisprotsess: 1. samm, koostisosa vastavalt ülaltoodud sulami kompositsioonile; 2. samm: sulatage sulatusahju temperatuuril 700 ℃ ~ 780 ℃; 3. samm: täpsustage täielikult sulatatud metallvedelikku ja hoidke metallitemperatuuri vahemikus 700 ℃ ~ 750 ℃ rafineerimise ajal; 4. samm: pärast rafineerimist peaks sellel olema täielikult lasta paigal seista; 5. samm: pärast täielikku seismist alustage valamist, hoidke ahju temperatuuri vahemikus 690 ℃ ~ 730 ℃ ja valamiskiirus on 15-200 mm/min/minut; 6. samm: soorde ahju sulami valuploki töötlemise homogeniseerimise lõõmutamine, homogeniseerimistemperatuur on 400 ℃ ~ 470 ℃; 7. samm: koorige homogeniseeritud valuplokk ja tehke kuum ekstrusioon, et saada profiilid, mille seina paksus on üle 2,0 mm. Ekstrusiooniprotsessi ajal tuleks toori hoida temperatuuril 350 ℃ kuni 410 ℃; 8. samm: pigistage lahuse kustutamise profiil, mille lahuse temperatuur on 460-480 ℃; 9. samm: pärast 72 -tunnist tahke lahuse kustutamist sundige vananemist käsitsi. Käsitsi jõuga vananemissüsteem on: 90 ~ 110 ℃/24 tundi+170 ~ 180 ℃/5 tundi või 90 ~ 110 ℃/24 tundi+145 ~ 155 ℃/10 tundi.
5 、 Uurimistöö kokkuvõte
Üldiselt kasutatakse haruldaste muldmike laialdaselt tuuma sulandumisel ja tuuma lõhustumisel ning neil on palju patendipaigutusi sellistes tehnilistes suundades nagu röntgenikiirguse ergutus, plasma moodustumine, kerge veereaktor, transuranium, uranüül ja oksiidipulber. Reaktorimaterjalide osas saab haruldaste muldmike kasutamist kasutada reaktori konstruktsioonimaterjalide ja nendega seotud keraamiliste isolatsioonimaterjalide, kontrollmaterjalide ja neutronkiirguse kaitse materjalidena.
Postiaeg:-26-2023