1. Tuumamaterjalide määratlus
Laiemas tähenduses on tuumamaterjal üldnimetus materjalidele, mida kasutatakse ainult tuumatööstuses ja tuumateaduslikes uuringutes, sealhulgas tuumkütus ja tuumatehnilised materjalid, st mittetuumkütusematerjalid.
Tavaliselt nimetatakse tuumamaterjale peamiselt reaktori erinevates osades kasutatavateks materjalideks, mida nimetatakse ka reaktorimaterjalideks. Reaktorimaterjalide hulka kuuluvad tuumkütus, mis läbib neutronpommituse all tuumalõhustumise, tuumkütuse komponentide kattematerjalid, jahutusvedelikud, neutronimoderaatorid (moderaatorid), neutroneid tugevalt neelavad juhtvarda materjalid ja peegeldavad materjalid, mis takistavad neutronite lekkimist reaktorist väljapoole.
2. Haruldaste muldmetallide ja tuumaressursside vaheline seos
Monatsiit, mida nimetatakse ka fosfotseriidiks ja fosfotseriidiks, on tavaline abimineraal vahepealsetes happelistes tardkivimites ja moondekivimites. Monatsiit on haruldaste muldmetallide maakide üks peamisi mineraale ning esineb ka mõnedes settekivimites. Pruunikaspunane, kollane, mõnikord pruunikaskollane, rasvase läikega, täielikult lõhustuv, Mohsi kõvadus 5–5,5 ja erikaal 4,9–5,5.
Mõnede Hiina platsertüüpi haruldaste muldmetallide leiukohtade peamine maagimineraal on monatsiit, mida leidub peamiselt Tongchengis, Hubeis, Yueyangis, Hunanis, Shangraos, Jiangxis, Menghais, Yunnanis ja He maakonnas Guangxis. Platsertüüpi haruldaste muldmetallide ressursside kaevandamisel ei ole aga sageli majanduslikku tähtsust. Üksikud kivid sisaldavad sageli refleksiivseid tooriumielemente ja on ka kaubandusliku plutooniumi peamine allikas.
3. Haruldaste muldmetallide rakenduste ülevaade tuumasünteesis ja tuumalõhustumises patendi panoraamanalüüsi põhjal
Pärast haruldaste muldmetallide otsinguelementide märksõnade täielikku laiendamist kombineeritakse need tuumalõhustumise ja tuumasünteesi laiendusvõtmete ja klassifikatsiooninumbritega ning otsitakse Incopti andmebaasist. Otsingu kuupäev on 24. august 2020. Pärast lihtsat perekondade ühinemist saadi 4837 patenti ja pärast kunstliku müra vähendamist määrati 4673 patenti.
Haruldaste muldmetallide patenditaotlused tuumalõhustumise või tuumasünteesi valdkonnas on jaotunud 56 riiki/piirkonda, peamiselt Jaapanisse, Hiinasse, Ameerika Ühendriikidesse, Saksamaale ja Venemaale jne. Märkimisväärne arv patente on esitatud PCT vormis, millest Hiina patenditehnoloogia taotluste arv on suurenenud, eriti alates 2009. aastast, jõudes kiire kasvufaasi, ning Jaapan, Ameerika Ühendriigid ja Venemaa on selles valdkonnas tegutsemist jätkanud juba aastaid (joonis 1).
Joonis 1. Haruldaste muldmetallide tuumalõhustumise ja tuumasünteesi rakendustega seotud tehnoloogiapatentide taotlemise trend riikides/piirkondades
Tehniliste teemade analüüsist nähtub, et haruldaste muldmetallide rakendamine tuumasünteesis ja tuumalõhustumises keskendub kütuseelementidele, stsintillaatoritele, kiirgusdetektoritele, aktinoididele, plasmadele, tuumareaktoritele, varjestusmaterjalidele, neutronite neeldumisele ja muudele tehnilistele suundadele.
4. Haruldaste muldmetallide spetsiifilised rakendused ja peamised patendiuuringud tuumamaterjalides
Nende hulgas on tuumasüntees ja tuumalõhustumine intensiivsed reaktsioonid tuumamaterjalides ning materjalidele esitatavad nõuded on ranged. Praegu on elektrireaktorid peamiselt tuumalõhustumine ja termotuumasünteesireaktorid võivad 50 aasta pärast laialdaselt levida. Rakendamineharuldane muldelemendid reaktori konstruktsioonimaterjalides; konkreetsetes tuumakeemia valdkondades kasutatakse haruldasi muldmetalle peamiselt juhtvarrastes; lisaksskandiumon kasutatud ka radiokeemias ja tuumatööstuses.
(1) Põleva mürgi või kontrollvarda abil tuumareaktori neutronite taseme ja kriitilise seisundi reguleerimiseks
Energiareaktorites on uute südamike esialgne jääkreaktiivsus üldiselt suhteliselt kõrge. Eriti esimese tankimistsükli algstaadiumis, kui kogu südamikus olev tuumkütus on uus, on järelejäänud reaktsioonivõime kõrgeim. Sel hetkel toetudes ainult juhtvarraste suurendamisele jääkreaktiivsuse kompenseerimiseks, tuleks kasutusele võtta rohkem juhtvardaid. Iga juhtvarras (või varrastekimp) vastab keeruka ajamimehhanismi kasutuselevõtule. Ühelt poolt suurendab see kulusid ja teiselt poolt võivad surveanuma kaanes avanevad augud viia konstruktsiooni tugevuse vähenemiseni. See pole mitte ainult ebaökonoomne, vaid ka ei tohi surveanuma kaanel olla teatud poorsust ja konstruktsiooni tugevust. Juhtvarraste suurendamata on aga vaja suurendada keemiliste kompenseerivate toksiinide (näiteks boorhappe) kontsentratsiooni, et kompenseerida järelejäänud reaktsioonivõimet. Sellisel juhul on boori kontsentratsioonil lihtne läviväärtust ületada ja moderaatori temperatuurikoefitsient muutub positiivseks.
Eelnevalt mainitud probleemide vältimiseks saab kontrollimiseks üldiselt kasutada põlevate toksiinide, kontrollvarraste ja keemilise kompensatsioonikontrolli kombinatsiooni.
(2) Lisandina reaktori konstruktsioonimaterjalide toimivuse parandamiseks
Reaktorite konstruktsioonielementidel ja kütuseelementidel peab olema teatav tugevus, korrosioonikindlus ja kõrge termiline stabiilsus, mis takistab samal ajal lõhustumisproduktide sattumist jahutusvedelikku.
1) .Haruldaste muldmetallide teras
Tuumareaktoril on äärmuslikud füüsikalised ja keemilised tingimused ning igal reaktori komponendil on kõrged nõuded kasutatavale spetsiaalsele terasele. Haruldastel muldmetallidel on terasele spetsiifiline modifitseeriv toime, sealhulgas puhastamine, metamorfism, mikrolegeerimine ja korrosioonikindluse parandamine. Haruldasi muldmetalle sisaldavaid teraseid kasutatakse laialdaselt ka tuumareaktorites.
1 Puhastav toime: Olemasolevad uuringud on näidanud, et haruldastel muldmetallidel on kõrgel temperatuuril sulanud terasele hea puhastav toime. See on tingitud asjaolust, et haruldased muldmetallid võivad reageerida sulanud terases kahjulike elementidega, nagu hapnik ja väävel, moodustades kõrge temperatuuriga ühendeid. Kõrge temperatuuriga ühendid võivad enne sulanud terase kondenseerumist sadestuda ja inklusioonidena välja voolata, vähendades seeläbi sulanud terase lisandite sisaldust.
② Metamorfism: teisest küljest võivad haruldaste muldmetallide ja kahjulike elementide, näiteks hapniku ja väävli reageerimisel tekkivad oksiidid, sulfiidid või oksüsulfiidid osaliselt sulas terases püsida ja moodustada kõrge sulamistemperatuuriga terase inklusioone. Neid inklusioone saab sula terase tahkumisel kasutada heterogeensete tuumastumiskeskustena, parandades seeläbi terase kuju ja struktuuri.
③ Mikrolegeerimine: kui haruldaste muldmetallide lisamist veelgi suurendada, lahustuvad ülejäänud haruldased muldmetallid pärast puhastamist ja metamorfismi lõppu terases. Kuna haruldaste muldmetallide aatomiraadius on suurem kui raua aatomil, on haruldastel muldmetallidel suurem pinnaaktiivsus. Sula terase tahkestumise protsessis rikastuvad haruldased muldmetallid terade piiril, mis aitab paremini vähendada lisandite eraldumist terade piiril, tugevdades seeläbi tahket lahust ja täites mikrolegeerimise rolli. Teisest küljest suudavad haruldased muldmetallid vesinikku absorbeerida terases, parandades seeläbi tõhusalt terase vesinikuhapruse fenomeni.
4. Korrosioonikindluse parandamine: Haruldaste muldmetallide lisamine võib samuti parandada terase korrosioonikindlust. See on tingitud asjaolust, et haruldastel muldmetallidel on suurem isekorrosioonipotentsiaal kui roostevabal terasel. Seetõttu võib haruldaste muldmetallide lisamine suurendada roostevaba terase isekorrosioonipotentsiaali, parandades seeläbi terase stabiilsust söövitavas keskkonnas.
2). Peamine patendiuuring
Peamine patent: Hiina Teaduste Akadeemia Metallide Instituudi leiutise patent oksiididispersiooniga tugevdatud madala aktiveerimisega terasele ja selle valmistamismeetodile
Patendi kokkuvõte: Esitatakse termotuumasünteesireaktoritele sobiv oksiiddispersiooniga tugevdatud madalaktiveeritud teras ja selle valmistamismeetod, mida iseloomustab see, et legeerelementide protsent madalaktiveeritud terase kogumassist on: maatriks on 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, emasulami suure energiaga kuulveskiga jahvatamine jaY2O3 nanoosakesegatud pulber, pulbrit ümbritseva ekstraheerimine, tahkestav vormimine, kuumvaltsimine ja kuumtöötlus.
Haruldaste muldmetallide lisamise meetod: lisage nanoskaalaY2O3osakesed põhisulami pihustatud pulbriga suure energiaga kuulveski jahvatamiseks, kusjuures kuulveski keskkonnaks on Φ 6 ja Φ 10 segatud kõvad teraskuulid, kuulveski atmosfäär koosneb 99,99% argoongaasist, kuuli materjali massi suhe on (8-10): 1, kuulveski jahvatusaeg on 40-70 tundi ja pöörlemiskiirus 350-500 p/min.
3) .Kasutatakse neutronkiirguse kaitsematerjalide valmistamiseks
① Neutronkiirguse kaitse põhimõte
Neutronid on aatomituumade komponendid, mille staatiline mass on 1,675 × 10⁻⁷ kg, mis on 1838 korda suurem kui elektronmass. Selle raadius on ligikaudu 0,8 × 10⁻⁷ m, mis on prootoni suurusega sarnane ja sarnane γ-kiirgusega. Kiired on võrdselt laenguta. Aine suhtes interakteerudes interakteeruvad neutronid peamiselt tuuma sees olevate tuumajõududega ega interakteeru väliskihi elektronidega.
Tuumaenergia ja tuumareaktoritehnoloogia kiire arenguga on üha enam tähelepanu pööratud tuumakiirgusohutusele ja -kaitsele. Kiirguskaitse tugevdamiseks operaatoritele, kes on pikka aega tegelenud kiirgusseadmete hoolduse ja õnnetuste päästmisega, on suure teadusliku tähtsuse ja majandusliku väärtusega kergete varjestuskomposiitide väljatöötamine kaitseriietuse jaoks. Neutronkiirgus on tuumareaktori kiirguse kõige olulisem osa. Üldiselt on enamik inimestega otseselt kokkupuutuvatest neutronitest pärast tuumareaktori sees olevate konstruktsioonimaterjalide neutronvarjestusefekti aeglustunud madala energiaga neutroniteks. Madala energiaga neutronid põrkuvad elastselt madalama aatomnumbriga tuumadega ja jätkavad modereerimist. Modereeritud termilised neutronid neelavad suurema neutronite neeldumisristlõikega elemendid ja lõpuks saavutatakse neutronvarjestus.
② Peamine patendiuuring
Poorsed ja orgaanilis-anorgaanilised hübriidsed omadusedharuldaste muldmetallide elementgadoliiniumMetall-orgaanilisel karkassil põhinevad materjalid suurendavad nende ühilduvust polüetüleeniga, soodustades sünteesitud komposiitmaterjalide suuremat gadoliiniumisisaldust ja gadoliiniumi dispersiooni. Kõrge gadoliiniumisisaldus ja dispersioon mõjutavad otseselt komposiitmaterjalide neutronvarjestuse toimivust.
Peamine patent: Hefei Materjaliteaduse Instituut, Hiina Teaduste Akadeemia, leiutise patent gadoliiniumil põhinevale orgaanilisest karkassist komposiitkaitsematerjalile ja selle valmistamismeetodile
Patendi kokkuvõte: Gadoliiniumil põhinev metallorgaanilisest karkassist komposiitmaterjal on komposiitmaterjal, mis on moodustatud segamise teelgadoliiniumGadoliiniumil põhinevad metallorgaanilise karkassiga materjalid polüetüleeniga massisuhtes 2:1:10, mis moodustatakse lahusti aurustamise või kuumpressimise teel. Gadoliiniumil põhinevad metallorgaanilise karkassiga komposiitmaterjalid on kõrge termilise stabiilsuse ja termiliste neutronite varjestusvõimega.
Tootmisprotsess: erinevate valiminegadoliiniummetallsoolad ja orgaanilised ligandid erinevat tüüpi gadoliiniumipõhiste metallorgaanilise skeletiga materjalide valmistamiseks ja sünteesimiseks, pestes neid tsentrifuugimise teel väikeste metanooli-, etanooli- või veemolekulidega ja aktiveerides neid kõrgel temperatuuril vaakumtingimustes, et eemaldada täielikult reageerimata toorained gadoliiniumipõhiste metallorgaanilise skeletiga materjalide pooridest; etapis valmistatud gadoliiniumipõhist organometallskeletiga materjali segatakse polüetüleenlosjooniga suurel kiirusel või ultraheli abil või etapis valmistatud gadoliiniumipõhist organometallskeletiga materjali sulatatakse ülikõrge molekulmassiga polüetüleeniga kõrgel temperatuuril, kuni see on täielikult segunenud; asetage ühtlaselt segatud gadoliiniumipõhise metallorgaanilise skeletiga materjali/polüetüleeni segu vormi ja saage moodustunud gadoliiniumipõhise metallorgaanilise skeletiga komposiitvarjestusmaterjal kuivatamise teel, et soodustada lahusti aurustumist, või kuumpressimise teel; valmistatud gadoliiniumipõhisel metallorgaanilise skeletiga komposiitvarjestusmaterjalil on võrreldes puhaste polüetüleenmaterjalidega oluliselt parem kuumakindlus, mehaanilised omadused ja parem termiliste neutronite varjestusvõime.
Haruldaste muldmetallide liitumisrežiim: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 või Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 poorne kristalliline koordinatsioonpolümeer, mis sisaldab gadoliiniumi ja mis saadakse koordinatsioonpolümerisatsiooni teel.Gd(NO3)3 • 6H2O või GdCl3 • 6H2Oja orgaaniline karboksülaatligand; Gadoliiniumipõhise metallorgaanilise karkassmaterjali suurus on 50 nm kuni 2 μm； Gadoliiniumipõhistel metallorgaanilistel karkassmaterjalidel on erinev morfoloogia, sealhulgas granuleeritud, vardakujulised või nõelakujulised kujud.
(4) KohaldamineSkandiumradiokeemias ja tuumatööstuses
Skandiummetallil on hea termiline stabiilsus ja tugev fluori neeldumisvõime, mis teeb sellest aatomienergiatööstuses asendamatu materjali.
Peamine patent: Hiina Lennundus- ja Kosmosearengu Pekingi Aeronautikamaterjalide Instituut, leiutise patent alumiiniumtsinkmagneesiumskandiumisulamile ja selle valmistamismeetodile
Patendi kokkuvõte: alumiiniumtsinkmagneesiumiskandiumisulamja selle valmistamismeetod. Alumiiniumtsinkmagneesiumskandiumisulami keemiline koostis ja massiprotsent on: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, lisandid Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, muud lisandid üksikult ≤ 0,05%, muud lisandid kokku ≤ 0,15% ja ülejäänud kogus on Al. Selle alumiiniumtsinkmagneesiumskandiumisulami mikrostruktuur on ühtlane ja selle omadused on stabiilsed, tõmbetugevusega üle 400 MPa, voolavuspiiriga üle 350 MPa ja keevisliidete tõmbetugevusega üle 370 MPa. Materjali saab kasutada konstruktsioonielementidena lennunduses, tuumatööstuses, transpordis, spordikaupades, relvades ja muudes valdkondades.
Tootmisprotsess: 1. samm, koostisosa vastavalt ülaltoodud sulami koostisele; 2. samm: sulatamine sulatusahjus temperatuuril 700 ℃–780 ℃; 3. samm: täielikult sulanud metalli rafineerimine ja metalli temperatuuri hoidmine rafineerimise ajal vahemikus 700 ℃–750 ℃; 4. samm: pärast rafineerimist tuleks lasta sellel täielikult seista; 5. samm: pärast täielikku seismist alustada valamist, hoida ahju temperatuuri vahemikus 690 ℃–730 ℃ ja valamiskiirus 15–200 mm/minutis; 6. samm: sulami valuploki homogeniseerimis-lõõmutustöötlus kuumutusahjus homogeniseerimistemperatuuril 400 ℃–470 ℃; 7. samm: homogeniseeritud valuploki koorimine ja kuumpressimine, et saada üle 2,0 mm seinapaksusega profiile. Ekstrusiooniprotsessi ajal tuleks toorikut hoida temperatuuril 350–410 ℃; 8. samm: profiili pigistamine lahuse karastamise töötlemiseks, lahuse temperatuur on 460–480 ℃; 9. samm: pärast 72-tunnist tahke lahuse karastamist teostage käsitsi sundvanandamine. Käsitsi sundvanandamise süsteem on: 90–110 ℃/24 tundi + 170–180 ℃/5 tundi või 90–110 ℃/24 tundi + 145–155 ℃/10 tundi.
5. Uuringu kokkuvõte
Üldiselt kasutatakse haruldasi muldmetalle laialdaselt tuumasünteesis ja tuumalõhustumises ning neil on palju patente sellistes tehnilistes suundades nagu röntgenkiirguse ergastamine, plasma moodustamine, kergveereaktor, transuraan, uranüül ja oksiidipulber. Reaktorimaterjalide osas saab haruldasi muldmetalle kasutada reaktori konstruktsioonimaterjalidena ja nendega seotud keraamiliste isolatsioonimaterjalidena, kontrollmaterjalidena ja neutronkiirguse kaitsematerjalidena.
Postituse aeg: 26. mai 2023