Aplikasi Unsur Nadir Bumi dalam Bahan Nuklear

1、 Definisi Bahan Nuklear

Dalam erti kata yang luas, bahan nuklear ialah istilah umum untuk bahan yang digunakan secara eksklusif dalam industri nuklear dan penyelidikan saintifik nuklear, termasuk bahan api nuklear dan bahan kejuruteraan nuklear, iaitu bahan bukan bahan api nuklear.

Bahan nuklear yang biasa dirujuk terutamanya merujuk kepada bahan yang digunakan dalam pelbagai bahagian reaktor, juga dikenali sebagai bahan reaktor.Bahan reaktor termasuk bahan api nuklear yang mengalami pembelahan nuklear di bawah pengeboman neutron, bahan pelapis untuk komponen bahan api nuklear, penyejuk, penyederhana neutron (moderator), bahan rod kawalan yang menyerap neutron dengan kuat, dan bahan pemantul yang menghalang kebocoran neutron di luar reaktor.

2、 Hubungan bersama antara sumber nadir bumi dan sumber nuklear

Monazite, juga dipanggil phosphocerite dan phosphocerite, adalah mineral aksesori biasa dalam batuan igneus asid perantaraan dan batuan metamorf.Monazite adalah salah satu mineral utama bijih logam nadir bumi, dan juga wujud dalam beberapa batu sedimen.Merah keperangan, kuning, kadang-kadang kuning keperangan, dengan kilauan berminyak, belahan lengkap, kekerasan Mohs 5-5.5, dan graviti tentu 4.9-5.5.

Mineral bijih utama beberapa mendapan nadir bumi jenis placer di China ialah monazit, terutamanya terletak di Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, dan He County, Guangxi.Walau bagaimanapun, pengekstrakan sumber nadir bumi jenis placer selalunya tidak mempunyai kepentingan ekonomi.Batu bersendirian selalunya mengandungi unsur torium refleksif dan juga merupakan sumber utama plutonium komersial.

3、 Gambaran keseluruhan aplikasi nadir bumi dalam pelakuran nuklear dan pembelahan nuklear berdasarkan analisis panoramik paten

Selepas kata kunci unsur carian nadir bumi dikembangkan sepenuhnya, ia digabungkan dengan kunci pengembangan dan nombor klasifikasi pembelahan nuklear dan pelakuran nuklear, dan dicari dalam pangkalan data Incopt.Tarikh carian ialah 24 Ogos 2020. 4837 paten diperoleh selepas penggabungan keluarga mudah, dan 4673 paten ditentukan selepas pengurangan bunyi buatan.

Permohonan paten nadir bumi dalam bidang pembelahan nuklear atau pelakuran nuklear diedarkan di 56 negara/rantau , terutamanya tertumpu di Jepun, China, Amerika Syarikat, Jerman dan Rusia, dsb. Sebilangan besar paten digunakan dalam bentuk PCT , yang mana aplikasi teknologi paten China telah meningkat, terutamanya sejak 2009, memasuki peringkat pertumbuhan pesat, dan Jepun, Amerika Syarikat dan Rusia telah terus menyusun atur dalam bidang ini selama bertahun-tahun (Rajah 1).

Rajah 1 Aliran aplikasi paten teknologi yang berkaitan dengan aplikasi nadir bumi dalam pembelahan nuklear nuklear dan pelakuran nuklear di negara/rantau

Ia dapat dilihat daripada analisis tema teknikal bahawa aplikasi nadir bumi dalam pelakuran nuklear dan pembelahan nuklear tertumpu pada unsur bahan api, scintillator, pengesan sinaran, aktinida, plasma, reaktor nuklear, bahan pelindung, penyerapan neutron dan arah teknikal yang lain.

4、 Aplikasi Khusus dan Penyelidikan Paten Utama Elemen Nadir Bumi dalam Bahan Nuklear

Antaranya, tindak balas gabungan nuklear dan pembelahan nuklear dalam bahan nuklear adalah sengit, dan keperluan untuk bahan adalah ketat.Pada masa ini, reaktor kuasa terutamanya reaktor pembelahan nuklear, dan reaktor pelakuran mungkin dipopularkan secara besar-besaran selepas 50 tahun.Aplikasi daripadanadir bumielemen dalam bahan struktur reaktor;Dalam bidang kimia nuklear tertentu, unsur nadir bumi digunakan terutamanya dalam rod kawalan;Sebagai tambahan,skandiumjuga telah digunakan dalam radiokimia dan industri nuklear.

（1） Sebagai racun mudah terbakar atau rod kawalan untuk melaraskan tahap neutron dan keadaan kritikal reaktor nuklear

Dalam reaktor kuasa, kereaktifan sisa awal teras baru secara amnya agak tinggi.Terutamanya pada peringkat awal kitaran pengisian bahan api pertama, apabila semua bahan api nuklear dalam teras adalah baru, kereaktifan yang tinggal adalah yang tertinggi.Pada ketika ini, bergantung semata-mata pada peningkatan rod kawalan untuk mengimbangi kereaktifan sisa akan memperkenalkan lebih banyak rod kawalan.Setiap rod kawalan (atau berkas rod) sepadan dengan pengenalan mekanisme pemanduan yang kompleks.Di satu pihak, ini meningkatkan kos, dan sebaliknya, membuka lubang di kepala kapal tekanan boleh menyebabkan penurunan kekuatan struktur.Bukan sahaja ia tidak ekonomik, tetapi ia juga tidak dibenarkan mempunyai sejumlah keliangan dan kekuatan struktur pada kepala kapal tekanan.Walau bagaimanapun, tanpa meningkatkan rod kawalan, adalah perlu untuk meningkatkan kepekatan toksin pemampas kimia (seperti asid borik) untuk mengimbangi kereaktifan yang tinggal.Dalam kes ini, mudah untuk kepekatan boron melebihi ambang, dan pekali suhu penyederhana akan menjadi positif.

Untuk mengelakkan masalah yang disebutkan di atas, gabungan toksin mudah terbakar, rod kawalan, dan kawalan pampasan kimia secara amnya boleh digunakan untuk kawalan.

（2） Sebagai dopan untuk meningkatkan prestasi bahan struktur reaktor

Reaktor memerlukan komponen struktur dan elemen bahan api untuk mempunyai tahap kekuatan tertentu, rintangan kakisan, dan kestabilan terma yang tinggi, sambil juga menghalang produk pembelahan daripada memasuki penyejuk.

1) .Keluli nadir bumi

Reaktor nuklear mempunyai keadaan fizikal dan kimia yang melampau, dan setiap komponen reaktor juga mempunyai keperluan yang tinggi untuk keluli khas yang digunakan.Unsur nadir bumi mempunyai kesan pengubahsuaian khas pada keluli, terutamanya termasuk penulenan, metamorfisme, pengaloian mikro, dan peningkatan rintangan kakisan.Nadir bumi yang mengandungi keluli juga digunakan secara meluas dalam reaktor nuklear.

① Kesan penulenan: Penyelidikan sedia ada telah menunjukkan bahawa nadir bumi mempunyai kesan penulenan yang baik pada keluli cair pada suhu tinggi.Ini kerana nadir bumi boleh bertindak balas dengan unsur berbahaya seperti oksigen dan sulfur dalam keluli cair untuk menghasilkan sebatian suhu tinggi.Sebatian suhu tinggi boleh dimendakkan dan dinyahcas dalam bentuk kemasukan sebelum keluli cair terpeluwap, dengan itu mengurangkan kandungan kekotoran dalam keluli cair.

② Metamorfisme: Sebaliknya, oksida, sulfida atau oksisulfida yang dihasilkan oleh tindak balas nadir bumi dalam keluli cair dengan unsur berbahaya seperti oksigen dan sulfur boleh sebahagiannya dikekalkan dalam keluli cair dan menjadi kemasukan keluli dengan takat lebur tinggi .Kemasukan ini boleh digunakan sebagai pusat nukleasi heterogen semasa pemejalan keluli cair, dengan itu menambah baik bentuk dan struktur keluli.

③ Microalloying: jika penambahan nadir bumi dipertingkatkan lagi, nadir bumi yang tinggal akan dilarutkan dalam keluli selepas penulenan dan metamorfisme di atas selesai.Oleh kerana jejari atom nadir bumi lebih besar daripada atom besi, nadir bumi mempunyai aktiviti permukaan yang lebih tinggi.Semasa proses pemejalan keluli cair, unsur nadir bumi diperkaya pada sempadan butiran, yang boleh mengurangkan pengasingan unsur kekotoran pada sempadan butiran dengan lebih baik, dengan itu mengukuhkan penyelesaian pepejal dan memainkan peranan pengaduan mikro.Sebaliknya, disebabkan oleh ciri-ciri penyimpanan hidrogen bagi nadir bumi, ia boleh menyerap hidrogen dalam keluli, dengan itu berkesan meningkatkan fenomena embrittlement hidrogen keluli.

④ Meningkatkan rintangan kakisan: Penambahan unsur nadir bumi juga boleh meningkatkan rintangan kakisan keluli.Ini kerana nadir bumi mempunyai potensi kakisan diri yang lebih tinggi daripada keluli tahan karat.Oleh itu, penambahan nadir bumi boleh meningkatkan potensi kakisan diri keluli tahan karat, dengan itu meningkatkan kestabilan keluli dalam media menghakis.

2).Kajian Paten Utama

Paten utama: paten ciptaan bagi penyebaran oksida mengukuhkan keluli pengaktifan rendah dan kaedah penyediaannya oleh Institut Logam, Akademi Sains China

Abstrak paten: Disediakan adalah keluli pengaktifan rendah diperkukuh penyebaran oksida yang sesuai untuk reaktor pelakuran dan kaedah penyediaannya, dicirikan bahawa peratusan unsur aloi dalam jumlah jisim keluli pengaktifan rendah ialah: matriks ialah 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% ≤ V ≤ 0.3%, 0.03% ≤ Ta ≤ 0.2%, 0.1% ≤ ≤ 0.1% 2O3 ≤ 0.5% .

Proses pembuatan: peleburan aloi ibu Fe-Cr-WV-Ta-Mn, pengabusan serbuk, pengilangan bebola tenaga tinggi aloi ibu danY2O3 nanozarahserbuk campuran, pengekstrakan menyelubungi serbuk, pengacuan pemejalan, penggulungan panas, dan rawatan haba.

Kaedah penambahan nadir bumi: Tambah skala nanoY2O3zarah kepada serbuk pengatoman aloi induk untuk pengilangan bebola tenaga tinggi, dengan medium pengilangan bebola ialah Φ 6 dan Φ 10 bebola keluli keras campuran, dengan suasana pengilangan bebola 99.99% gas argon, nisbah jisim bahan bebola sebanyak (8- 10): 1, masa mengisar bola 40-70 jam, dan kelajuan putaran 350-500 r/min.

3）. Digunakan untuk membuat bahan perlindungan sinaran neutron

① Prinsip perlindungan sinaran neutron

Neutron ialah komponen nukleus atom, dengan jisim statik 1.675 × 10-27kg, iaitu 1838 kali jisim elektronik.Jejarinya adalah kira-kira 0.8 × 10-15m, sama saiznya dengan proton, serupa dengan γ Sinar tidak bercas sama.Apabila neutron berinteraksi dengan jirim, mereka terutamanya berinteraksi dengan daya nuklear di dalam nukleus, dan tidak berinteraksi dengan elektron di kulit luar.

Dengan perkembangan pesat tenaga nuklear dan teknologi reaktor nuklear, semakin banyak perhatian telah diberikan kepada keselamatan sinaran nuklear dan perlindungan sinaran nuklear.Untuk mengukuhkan perlindungan sinaran bagi pengendali yang telah lama terlibat dalam penyelenggaraan peralatan sinaran dan penyelamatan kemalangan, ia adalah mempunyai kepentingan saintifik dan nilai ekonomi yang besar untuk membangunkan komposit pelindung ringan untuk pakaian pelindung.Sinaran neutron adalah bahagian terpenting sinaran reaktor nuklear.Secara amnya, kebanyakan neutron yang bersentuhan langsung dengan manusia telah diperlahankan kepada neutron tenaga rendah selepas kesan perisai neutron bahan struktur di dalam reaktor nuklear.Neutron tenaga rendah akan berlanggar dengan nukleus dengan nombor atom yang lebih rendah secara elastik dan terus disederhanakan.Neutron terma sederhana akan diserap oleh unsur-unsur dengan keratan rentas serapan neutron yang lebih besar, dan akhirnya perisai neutron akan dicapai.

② Kajian Paten Utama

Sifat hibrid berliang dan organik-tak organik bagiunsur nadir bumigadoliniumbahan rangka organik logam berasaskan meningkatkan keserasian mereka dengan polietilena, menggalakkan bahan komposit yang disintesis mempunyai kandungan gadolinium dan penyebaran gadolinium yang lebih tinggi.Kandungan gadolinium yang tinggi dan penyebaran secara langsung akan menjejaskan prestasi pelindung neutron bahan komposit.

Paten utama: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, paten ciptaan bagi rangka kerja organik berasaskan gadolinium bahan perisai komposit dan kaedah penyediaannya

Abstrak Paten: Bahan perisai komposit rangka organik logam berasaskan Gadolinium ialah bahan komposit yang dibentuk dengan mencampurkangadoliniumbahan rangka organik logam berasaskan polietilena dalam nisbah berat 2:1:10 dan membentuknya melalui penyejatan pelarut atau penekan panas.Bahan perisai komposit rangka organik logam berasaskan Gadolinium mempunyai kestabilan haba yang tinggi dan keupayaan perisai neutron terma.

Proses pembuatan: memilih yang berbezalogam gadoliniumgaram dan ligan organik untuk menyediakan dan mensintesis pelbagai jenis bahan rangka organik logam berasaskan gadolinium, membasuhnya dengan molekul kecil metanol, etanol atau air melalui sentrifugasi, dan mengaktifkannya pada suhu tinggi di bawah keadaan vakum untuk mengeluarkan sepenuhnya sisa bahan mentah yang tidak bertindak balas. dalam pori-pori bahan rangka organik logam berasaskan gadolinium;Bahan rangka organologam berasaskan gadolinium yang disediakan secara berperingkat dikacau dengan losyen polietilena pada kelajuan tinggi, atau secara ultrasonik, atau bahan rangka organologam berasaskan gadolinium yang disediakan dalam langkah dicairkan dengan polietilena berat molekul ultra-tinggi pada suhu tinggi sehingga bercampur sepenuhnya;Letakkan bahan rangka organik logam berasaskan gadolinium bercampur seragam/campuran polietilena dalam acuan, dan dapatkan bahan perisai komposit rangka organik logam berasaskan gadolinium yang terbentuk dengan mengeringkan untuk menggalakkan penyejatan pelarut atau penekan panas;Bahan perisai komposit rangka organik logam berasaskan gadolinium yang disediakan telah meningkatkan rintangan haba, sifat mekanikal dengan ketara dan keupayaan pelindung neutron haba yang unggul berbanding bahan polietilena tulen.

Mod penambahan nadir bumi: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 atau Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimer koordinasi hablur berliang yang mengandungi gadolinium, yang diperoleh melalui pempolimeran koordinasiGd (NO3) 3 • 6H2O atau GdCl3 • 6H2Odan ligan karboksilat organik;Saiz bahan rangka organik logam berasaskan gadolinium ialah 50nm-2 μm; Bahan rangka organik logam berasaskan gadolinium mempunyai morfologi yang berbeza, termasuk bentuk berbutir, berbentuk batang atau berbentuk jarum.

（4） PemakaianSkandiumdalam radiokimia dan industri nuklear

Logam skandium mempunyai kestabilan terma yang baik dan prestasi penyerapan fluorin yang kuat, menjadikannya bahan yang sangat diperlukan dalam industri tenaga atom.

Paten utama: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, paten ciptaan untuk aloi skandium magnesium zink aluminium dan kaedah penyediaannya

Abstrak paten: Sejenis zink aluminiumaloi magnesium skandiumdan kaedah penyediaannya.Komposisi kimia dan peratusan berat aloi aluminium zink magnesium skandium ialah: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, kekotoran Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, kekotoran lain tunggal ≤ 0.05%, jumlah kekotoran lain ≤ 0.15%, dan jumlah yang tinggal ialah Al.Struktur mikro bahan aloi aluminium zink magnesium skandium ini adalah seragam dan prestasinya adalah stabil, dengan kekuatan tegangan muktamad melebihi 400MPa, kekuatan hasil lebih 350MPa dan kekuatan tegangan lebih 370MPa untuk sambungan dikimpal.Produk material boleh digunakan sebagai elemen struktur dalam aeroangkasa, industri nuklear, pengangkutan, barangan sukan, senjata dan bidang lain.

Proses pembuatan: Langkah 1, ramuan mengikut komposisi aloi di atas;Langkah 2: Cairkan dalam relau peleburan pada suhu 700 ℃~780 ℃;Langkah 3: Menapis cecair logam cair sepenuhnya, dan mengekalkan suhu logam dalam julat 700 ℃~750 ℃ ​​semasa penapisan;Langkah 4: Selepas penapisan, ia harus dibenarkan sepenuhnya untuk berdiri diam;Langkah 5: Selepas berdiri sepenuhnya, mulakan tuang, kekalkan suhu relau dalam julat 690 ℃~730 ℃, dan kelajuan tuangan ialah 15-200mm/minit;Langkah 6: Lakukan rawatan penyepuhlindapan homogenisasi pada jongkong aloi dalam relau pemanasan, dengan suhu homogenisasi 400 ℃~470 ℃;Langkah 7: Kupas jongkong homogen dan lakukan penyemperitan panas untuk menghasilkan profil dengan ketebalan dinding melebihi 2.0mm.Semasa proses penyemperitan, bilet perlu dikekalkan pada suhu 350 ℃ hingga 410 ℃;Langkah 8: Picit profil untuk rawatan pelindapkejutan penyelesaian, dengan suhu larutan 460-480 ℃;Langkah 9: Selepas 72 jam pelindapkejutan larutan pepejal, paksa penuaan secara manual.Sistem penuaan daya manual ialah: 90~110 ℃/24 jam+170~180 ℃/5 jam, atau 90~110 ℃/24 jam+145~155 ℃/10 jam.

5、 Ringkasan Penyelidikan

Pada keseluruhannya, nadir bumi digunakan secara meluas dalam pelakuran nuklear dan pembelahan nuklear, dan mempunyai banyak susun atur paten dalam arah teknikal seperti pengujaan sinar-X, pembentukan plasma, reaktor air ringan, transuranium, uranil dan serbuk oksida.Bagi bahan reaktor, nadir bumi boleh digunakan sebagai bahan struktur reaktor dan bahan penebat seramik yang berkaitan, bahan kawalan dan bahan perlindungan sinaran neutron.