1、 Tuumamaterjalide määratlus
Laiemas tähenduses on tuumamaterjal üldnimetus materjalidele, mida kasutatakse eranditult tuumatööstuses ja tuumateaduslikes teadusuuringutes, sealhulgas tuumakütus ja tuumatehnilised materjalid, st mittetuumakütuse materjalid.
Tavaliselt viitavad tuumamaterjalid peamiselt reaktori erinevates osades kasutatavatele materjalidele, mida tuntakse ka reaktori materjalidena.Reaktori materjalide hulka kuuluvad tuumakütus, mis läbib tuuma lõhustumise neutronpommitamise ajal, tuumkütuse komponentide kattematerjalid, jahutusvedelikud, neutronite aeglustid (moderaatorid), juhtvarraste materjalid, mis neelavad tugevalt neutroneid, ja peegeldavad materjalid, mis takistavad neutronite lekkimist väljaspool reaktorit.
2. Kaasseotud seos haruldaste muldmetallide ja tuumaressursside vahel
Monasiit, mida nimetatakse ka fosfokeriidiks ja fosfokeriidiks, on tavaline lisamineraal happelises vahepealses tardkivimis ja moondekivimis.Monasiit on haruldaste muldmetallide maagi üks peamisi mineraale ja seda leidub ka mõnes settekivimis.Pruunikaspunane, kollane, mõnikord pruunikaskollane, rasvase läikega, täieliku lõhustusega, Mohsi kõvadus 5-5,5 ja erikaal 4,9-5,5.
Mõnede Hiinas asuvate haruldaste muldmetallide leiukohtade peamiseks maagiks on monasiit, mis asub peamiselt Tongchengis, Hubeis, Yueyangis, Hunanis, Shangraos, Jiangxis, Menghais, Yunnanis ja He maakonnas Guangxis.Placer-tüüpi haruldaste muldmetallide ressursside kaevandamine ei oma aga sageli majanduslikku tähtsust.Üksikud kivid sisaldavad sageli refleksiivseid tooriumielemente ja on ka peamine kaubandusliku plutooniumi allikas.
3、 Ülevaade haruldaste muldmetallide kasutamisest tuumasünteesis ja tuumalõhustumises patendi panoraamanalüüsi põhjal
Pärast haruldaste muldmetallide otsinguelementide märksõnade täielikku laiendamist kombineeritakse need tuuma lõhustumise ja tuumasünteesi laiendusvõtmete ja klassifikatsiooninumbritega ning otsitakse andmebaasist Incopt.Otsingu kuupäev on 24. august 2020. 4837 patenti saadi pärast lihtsat pereliitmist ja 4673 patenti määrati pärast müra kunstlikku vähendamist.
Haruldaste muldmetallide patenditaotlusi tuuma lõhustumise või tuumasünteesi valdkonnas levitatakse 56 riigis/regioonis, peamiselt Jaapanis, Hiinas, Ameerika Ühendriikides, Saksamaal ja Venemaal jne. Märkimisväärne hulk patente on taotletud PCT kujul. , millest Hiina patenditehnoloogiarakendused on kasvanud, eriti alates 2009. aastast, jõudes kiiresse kasvufaasi, ning Jaapan, Ameerika Ühendriigid ja Venemaa on jätkanud selle valdkonna paigutust juba aastaid (joonis 1).
Joonis 1 Haruldaste muldmetallide kasutamisega seotud tehnoloogia patentide rakendussuund tuumalõhustumise ja tuumasünteesi valdkonnas riikides/piirkondades
Tehniliste teemade analüüsist on näha, et haruldaste muldmetallide rakendamine tuumasünteesis ja tuumalõhustumises keskendub kütuseelementidele, stsintillaatoritele, kiirgusdetektoritele, aktiniididele, plasmadele, tuumareaktoritele, varjestusmaterjalidele, neutronite neeldumisele ja teistele tehnilistele suundadele.
4. Tuumamaterjalides esinevate haruldaste muldmetallide elementide spetsiifilised rakendused ja peamised patendiuuringud
Nende hulgas on tuumasünteesi ja tuuma lõhustumise reaktsioonid tuumamaterjalides intensiivsed ning materjalidele esitatavad nõuded on ranged.Praegu on elektrireaktorid peamiselt tuumalõhustumisreaktorid ja termotuumasünteesi reaktoreid võidakse laialdaselt populariseerida 50 aasta pärast.Taotlusharuldased muldmetallidelemendid reaktori konstruktsioonimaterjalides;Spetsiifilistes tuumakeemiavaldkondades kasutatakse haruldaste muldmetallide elemente peamiselt kontrollvarrastes;Lisaks,skandiumon kasutatud ka radiokeemias ja tuumatööstuses.
(1) Põlev mürk või juhtvarras tuumareaktori neutronite taseme ja kriitilise oleku reguleerimiseks
Jõureaktorites on uute südamike esialgne jääkreaktiivsus üldiselt suhteliselt kõrge.Eriti esimese tankimistsükli algfaasis, kui kogu tuumakütus on uus, on järelejäänud reaktsioonivõime kõrgeim.Praegusel hetkel tooks jääkreaktiivsuse kompenseerimiseks ainult suurendatavatele juhtvarrastele tuginemine kasutusele rohkem juhtvardaid.Iga juhtvarras (või varraste kimp) vastab keeruka ajamimehhanismi kasutuselevõtule.Ühelt poolt suurendab see kulusid, teisalt võib surveanuma peas aukude avamine kaasa tuua konstruktsiooni tugevuse vähenemise.See pole mitte ainult ebaökonoomne, vaid ka surveanuma pea teatud poorsus ja struktuurne tugevus ei ole lubatud.Kuid kontrollvarraste suurendamata on vaja suurendada keemiliste kompenseerivate toksiinide (näiteks boorhappe) kontsentratsiooni, et kompenseerida järelejäänud reaktiivsust.Sel juhul on boori kontsentratsioonil lihtne läve ületada ja moderaatori temperatuurikoefitsient muutub positiivseks.
Eelnimetatud probleemide vältimiseks võib tõrjeks üldjuhul kasutada põlevate toksiinide, kontrollvarraste ja keemilise kompensatsioonitõrje kombinatsiooni.
(2) Lisaainena reaktori konstruktsioonimaterjalide jõudluse parandamiseks
Reaktorid nõuavad konstruktsioonikomponentidelt ja kütuseelementidelt teatud tugevuse, korrosioonikindluse ja kõrge termilise stabiilsuse taset, vältides samal ajal lõhustumisproduktide sattumist jahutusvedelikku.
1) .Haruldaste muldmetallide teras
Tuumareaktoris on ekstreemsed füüsikalised ja keemilised tingimused ning reaktori igal komponendil on kõrged nõuded ka kasutatavale eriterasele.Haruldastel muldmetallidel on terasele erilised modifikatsiooniefektid, sealhulgas puhastamine, metamorfism, mikrolegeerimine ja korrosioonikindluse parandamine.Haruldasi muldmetalli sisaldavaid teraseid kasutatakse laialdaselt ka tuumareaktorites.
① Puhastusefekt: Olemasolevad uuringud on näidanud, et haruldastel muldmetallidel on kõrgel temperatuuril sulaterast hea puhastav toime.Selle põhjuseks on asjaolu, et haruldased muldmetallid võivad sula terases reageerida kahjulike elementidega, nagu hapnik ja väävel, tekitades kõrge temperatuuriga ühendeid.Kõrge temperatuuriga ühendeid saab enne sulaterase kondenseerumist sadestada ja inklusioonide kujul välja lasta, vähendades seeläbi sulaterase lisandite sisaldust.
② Metamorfism: teisest küljest võivad oksiidid, sulfiidid või oksüsulfiidid, mis tekivad sulaterase haruldaste muldmetallide reageerimisel kahjulike elementidega, nagu hapnik ja väävel, osaliselt sulaterasesse kinni jääda ja muutuda kõrge sulamistemperatuuriga terase lisanditeks. .Neid lisandeid saab kasutada sulaterase tahkumisel heterogeensete tuumakeskustena, parandades seeläbi terase kuju ja struktuuri.
③ Mikrolegeerimine: kui haruldaste muldmetallide lisamist veelgi suurendatakse, lahustatakse järelejäänud haruldased muldmetallid terases pärast ülaltoodud puhastamise ja metamorfismi lõppemist.Kuna haruldaste muldmetallide aatomiraadius on suurem kui rauaaatomil, on haruldaste muldmetallide pinnaaktiivsus suurem.Sula terase tahkestumise protsessis rikastatakse haruldaste muldmetallide elemente tera piiril, mis võib paremini vähendada lisandite elementide eraldumist tera piiril, tugevdades seeläbi tahket lahust ja täites mikrolegeerimise rolli.Teisest küljest võivad haruldaste muldmetallide vesiniku säilitamise omaduste tõttu absorbeerida terasest vesinikku, parandades seeläbi tõhusalt terase vesiniku hapruse nähtust.
④ Korrosioonikindluse parandamine: haruldaste muldmetallide elementide lisamine võib samuti parandada terase korrosioonikindlust.Seda seetõttu, 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
Võtmepatent: Hiina Teaduste Akadeemia Metalliinstituudi patent oksiiddispersiooniga tugevdatud madala aktivatsiooniga terase ja selle valmistamismeetodi kohta
Patendi kokkuvõte: Pakutakse termotuumasünteesi reaktorite jaoks sobivat oksiiddispersiooniga tugevdatud madala aktivatsiooniga terast ja selle valmistamismeetodit, mida iseloomustab see, et legeerelementide protsent madala aktivatsiooniga 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 ≤ O ≤ 0,5% ja ≤ 0,2% 0,5% .
Tootmisprotsess: Fe-Cr-WV-Ta-Mn emasulami sulatamine, pulbri pihustamine, emasulami suure energiatarbega kuuljahvatamine jaY2O3 nanoosakesegatud pulber, pulbri ümbrise ekstraheerimine, tahkestamise vormimine, kuumvaltsimine ja kuumtöötlus.
Haruldaste muldmetallide lisamise meetod: lisage nanoskaalaY2O3osakesed lähtesulami pihustatud pulbriks suure energiatarbega kuuljahvatamiseks, kusjuures kuuljahvatuskeskkonnaks on Φ 6 ja Φ 10 segatud kõvast terasest kuulid, kuuljahvatuskeskkonnas 99,99% argoongaasi, kuuli materjali massisuhe (8- 10): 1, kuuljahvatamise aeg 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 × 10–27 kg, mis on 1838 korda suurem kui elektronmass.Selle raadius on ligikaudu 0,8 × 10-15 m, suuruselt sarnane prootoniga, sarnane γ-ga Kiired on võrdselt laetud.Kui neutronid interakteeruvad ainega, interakteeruvad nad peamiselt tuuma sees olevate tuumajõududega, mitte aga väliskesta elektronidega.
Tuumaenergeetika ja tuumareaktoritehnoloogia kiire arenguga on järjest rohkem tähelepanu pööratud tuumakiirgusohutusele ja tuumakiirguskaitsele.Pikka aega kiirgusseadmete hoolduse ja päästetöödega tegelenud operaatorite kiirguskaitse tugevdamiseks on suure teadusliku ja majandusliku väärtusega kaitseriietuse kergete varjestuskomposiitide väljatöötamine.Neutronkiirgus on tuumareaktori kiirguse kõige olulisem osa.Üldiselt on suurem osa inimestega otseses kontaktis olevatest neutronitest pärast tuumareaktoris olevate konstruktsioonimaterjalide neutroneid varjestavat toimet aeglustunud madala energiatarbega neutroniteks.Madala energiaga neutronid põrkuvad elastselt väiksema aatomarvuga tuumadega ja jätkavad nende pidurdamist.Mõõdustatud termilised neutronid neelavad suurema neutronite neeldumise ristlõikega elemendid ja lõpuks saavutatakse neutronite varjestus.
② Peamine patendiuuring
Poorne ja orgaaniline-anorgaaniline hübriidomadusedharuldaste muldmetallide elementgadoliiniumMetallist orgaanilised karkassimaterjalid suurendavad nende ühilduvust polüetüleeniga, soodustades sünteesitud komposiitmaterjalide suuremat gadoliiniumisisaldust ja gadoliiniumi dispersiooni.Kõrge gadoliiniumi sisaldus ja dispersioon mõjutavad otseselt komposiitmaterjalide neutronvarjestusvõimet.
Võtmepatent: Hiina Teaduste Akadeemia Hefei Materjaliteaduse Instituut, gadoliiniumipõhise orgaanilise karkassi komposiitvarjestusmaterjali ja selle valmistamismeetodi leiutise patent
Patendi kokkuvõte: Gadoliiniumil põhinev metallist orgaanilise karkassi komposiit-varjestusmaterjal on segamisel moodustunud komposiitmaterjalgadoliiniumpõhinev metallist orgaaniline karkassmaterjal polüetüleeniga massisuhtes 2:1:10 ja selle moodustamine lahusti aurustamise või kuumpressimise teel.Gadoliiniumil põhinevatel metallist orgaanilise karkassiga komposiitvarjestusmaterjalidel on kõrge termiline stabiilsus ja termiline neutronvarjestus.
Tootmisprotsess: erinevate valiminegadoliiniumi metallsoolad ja orgaanilised ligandid, et valmistada ja sünteesida erinevat tüüpi gadoliiniumil põhinevaid metallist orgaanilisi skeleti materjale, pestes neid väikeste metanooli-, etanooli- või veemolekulidega tsentrifuugimise teel ja aktiveerides need kõrgel temperatuuril vaakumi tingimustes, et eemaldada täielikult reageerimata jäänud toorained. gadoliiniumipõhiste metallide orgaaniliste skeletimaterjalide poorides;Etapis valmistatud gadoliiniumipõhist metallorgaanilist skeletimaterjali segatakse polüetüleenkreemiga suurel kiirusel või ultraheliga või etapis valmistatud gadoliiniumipõhist metallorgaanilist karkassi materjali sulatatakse kokku ülikõrge molekulmassiga polüetüleeniga kõrgel temperatuuril kuni täieliku segunemiseni;Asetage vormi ühtlaselt segatud gadoliiniumil põhinev metallist orgaanilise karkassi materjali/polüetüleeni segu ja valmistage moodustunud gadoliiniumil põhinev metallist orgaanilise karkassi komposiitkaitsematerjal kuivatamise teel, et soodustada lahusti aurustumist või kuumpressimist;Valmistatud gadoliiniumipõhisel metallist orgaanilise karkassiga komposiit-varjestusmaterjalil on võrreldes puhaste polüetüleenmaterjalidega oluliselt paranenud kuumakindlus, mehaanilised omadused ja parem termiline neutronvarjestus.
Haruldaste muldmetallide lisamise režiim: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 või Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 poorne kristalne koordinatsioonpolümeer, mis sisaldab gadoliiniumi, mis saadakse gadoliiniumi koordinatsioonipolümerisatsioonil.Gd (NO3) 3 • 6H2O või GdCl3 • 6H2Oja orgaaniline karboksülaatligand;Gadoliiniumil põhineva metallist orgaanilise skeleti materjali suurus on 50 nm-2 μm； Gadoliiniumil põhinevatel metallist orgaanilistel skeletimaterjalidel on erinev morfoloogia, sealhulgas granuleeritud, vardakujuline või nõelakujuline kuju.
(4) Kohaldamineskandiumradiokeemias ja tuumatööstuses
Skandiumimetallil on hea termiline stabiilsus ja tugev fluori neeldumine, mistõttu on see aatomienergiatööstuses asendamatu materjal.
Võtmepatent: Hiina Aerospace Development Pekingi Lennundusmaterjalide Instituut, alumiiniumtsingi magneesium-skandiumisulami leiutise patent ja selle valmistamismeetod
Patendi kokkuvõte: alumiiniumtsinkmagneesiumi skandiumisulamja selle valmistamise meetod.Alumiiniumtsink-magneesium-skandiumisulami 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 üksikud ≤ 0,05%, muud lisandid kokku ≤ 0,15% ja ülejäänud kogus on Al.Selle alumiinium-tsink-magneesium-skandiumisulamist materjali mikrostruktuur on ühtlane ja selle jõudlus on stabiilne, mille maksimaalne tõmbetugevus on üle 400 MPa, voolavuspiir on üle 350 MPa ja keevisliidete tõmbetugevus üle 370 MPa.Materjalitooteid saab kasutada konstruktsioonielementidena lennunduses, tuumatööstuses, transpordis, spordikaupades, relvades ja muudes valdkondades.
Tootmisprotsess: 1. etapp, koostisosa vastavalt ülaltoodud sulami koostisele;2. samm: sulatage sulatusahjus temperatuuril 700 ℃ ~ 780 ℃;3. samm: rafineerige täielikult sulanud metallivedelik ja hoidke rafineerimise ajal metalli temperatuuri vahemikus 700 ℃ ~ 750 ℃;4. samm: pärast rafineerimist tuleks lasta sellel täielikult seista;5. samm: pärast täielikku seismist alustage valamist, hoidke ahju temperatuuri vahemikus 690 ℃ ~ 730 ℃ ja valamise kiirus on 15-200 mm/min;6. samm: tehke kuumutusahjus sulami valuploki homogeniseerimise lõõmutamine homogeniseerimistemperatuuriga 400 ℃ ~ 470 ℃;7. samm: koorige homogeniseeritud valuplokk ja tehke kuumekstrusioon, et saada profiile seinapaksusega üle 2,0 mm.Ekstrusiooniprotsessi ajal tuleb toorikut hoida temperatuuril 350 ℃ kuni 410 ℃;8. samm: pigistage profiili lahusega kustutamiseks lahuse temperatuuril 460–480 ℃;9. samm: pärast 72-tunnist tahke lahusega kustutamist jõustage vanandamine käsitsi.Manuaalne jõuga vananemissüsteem 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 patenteeritud paigutusi sellistes tehnilistes suundades nagu röntgenikiirgus, plasma moodustumine, kerge vee reaktor, transuraan, uranüül ja oksiidipulber.Reaktori materjalidest saab haruldasi muldmetalle kasutada reaktori konstruktsioonimaterjalidena ja nendega seotud keraamiliste isolatsioonimaterjalide, kontrollmaterjalide ja neutronkiirguse kaitsematerjalina.
Postitusaeg: 26. mai-2023