Applicazione di l'Elementi di Terre Rare in i Materiali Nucleari

1. Definizione di i materiali nucleari

In sensu largu, u materiale nucleare hè u termine generale per i materiali utilizati esclusivamente in l'industria nucleare è in a ricerca scientifica nucleare, cumpresi u combustibile nucleare è i materiali d'ingegneria nucleare, vale à dì i materiali di combustibile non nucleare.

I materiali nucleari cumunemente chjamati si riferiscenu principalmente à i materiali utilizati in varie parti di u reattore, cunnisciuti ancu cum'è materiali di reattore. I materiali di reattore includenu u carburante nucleare chì subisce a fissione nucleare sottu u bumbardamentu di neutroni, i materiali di rivestimentu per i cumpunenti di u carburante nucleare, i refrigeranti, i moderatori di neutroni (moderatori), i materiali di e barre di cuntrollu chì assorbenu fortemente i neutroni è i materiali riflettenti chì impediscenu a fuga di neutroni fora di u reattore.

2. Relazione assuciata trà e risorse di terre rare è e risorse nucleari

A monazite, chjamata ancu fosfocerite è fosfocerite, hè un minerale accessoriu cumunu in e rocce ignee acide intermedie è in e rocce metamorfiche. A monazite hè unu di i principali minerali di u minerale di terre rare, è esiste ancu in alcune rocce sedimentarie. Rossu brunastru, giallu, qualchì volta giallu brunastru, cù una lucentezza grassa, scissione cumpleta, durezza Mohs di 5-5,5 è gravità specifica di 4,9-5,5.

U principale minerale di certi giacimenti di terre rare di tipu placer in Cina hè a monazite, situata principalmente in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, è a contea di He, Guangxi. Tuttavia, l'estrazione di risorse di terre rare di tipu placer ùn hà spessu micca significatu ecunomicu. E petre solitarie cuntenenu spessu elementi di torio riflessivi è sò ancu a principale fonte di plutoniu cummerciale.

3. Panoramica di l'applicazione di e terre rare in a fusione nucleare è a fissione nucleare basata annantu à l'analisi panoramica di i brevetti.

Dopu chì e parolle chjave di l'elementi di ricerca di terre rare sò cumpletamente espanse, sò cumminate cù e chjave d'espansione è i numeri di classificazione di a fissione nucleare è di a fusione nucleare, è cercate in a basa di dati Incopt. A data di ricerca hè u 24 d'aostu 2020. 4837 brevetti sò stati ottenuti dopu una semplice fusione di famiglie, è 4673 brevetti sò stati determinati dopu a riduzione artificiale di u rumore.

E dumande di brevettu di terre rare in u campu di a fissione nucleare o di a fusione nucleare sò distribuite in 56 paesi/regioni, principalmente cuncintrate in Giappone, Cina, Stati Uniti, Germania è Russia, ecc. Un numeru considerableu di brevetti sò dumandati in forma di PCT, di i quali e dumande di tecnulugia di brevettu cinese sò aumentate, soprattuttu dapoi u 2009, entrendu in una fase di crescita rapida, è u Giappone, i Stati Uniti è a Russia anu cuntinuatu à lancià in questu campu per parechji anni (Figura 1).

Figura 1 Tendenza di l'applicazione di i brevetti tecnologichi ligati à l'applicazione di terre rare in a fissione nucleare è a fusione nucleare in paesi/regioni

Si pò vede da l'analisi di i temi tecnichi chì l'applicazione di e terre rare in a fusione nucleare è a fissione nucleare si cuncentra nantu à l'elementi di carburante, i scintillatori, i rilevatori di radiazioni, l'attinidi, i plasmi, i reattori nucleari, i materiali di schermatura, l'assorbimentu di neutroni è altre direzzioni tecniche.

4 Applicazioni specifiche è ricerca chjave di brevetti di elementi di terre rare in materiali nucleari

Trà elle, e reazzioni di fusione nucleare è di fissione nucleare in i materiali nucleari sò intense, è i requisiti per i materiali sò severi. Attualmente, i reattori di putenza sò principalmente reattori di fissione nucleare, è i reattori di fusione puderanu esse popularizati à grande scala dopu à 50 anni. L'applicazione diterra raraelementi in i materiali strutturali di u reattore; In campi chimichi nucleari specifici, l'elementi di terre rare sò aduprati principalmente in e barre di cuntrollu; Inoltre,scandiuhè statu ancu adupratu in radiochimica è in l'industria nucleare.

(1) Cum'è velenu combustibile o barra di cuntrollu per aghjustà u livellu di neutroni è u statu criticu di u reattore nucleare

In i reattori di putenza, a reattività residuale iniziale di i novi nuclei hè generalmente relativamente alta. In particulare in e prime fasi di u primu ciclu di rifornimentu, quandu tuttu u carburante nucleare in u nucleu hè novu, a reattività restante hè a più alta. À questu puntu, affidà si solu à l'aumentu di e barre di cuntrollu per cumpensà a reattività residuale introdurrebbe più barre di cuntrollu. Ogni barra di cuntrollu (o fasciu di barre) currisponde à l'introduzione di un mecanismu di guida cumplessu. Da una parte, questu aumenta i costi, è da l'altra parte, l'apertura di buchi in a testa di u recipiente à pressione pò purtà à una diminuzione di a resistenza strutturale. Non solu hè antiecunomicu, ma ùn hè ancu permessu di avè una certa quantità di porosità è resistenza strutturale nantu à a testa di u recipiente à pressione. Tuttavia, senza aumentà e barre di cuntrollu, hè necessariu aumentà a concentrazione di tossine chimiche compensatrici (cum'è l'acidu boricu) per cumpensà a reattività restante. In questu casu, hè faciule per a concentrazione di boru di superà a soglia, è u coefficientu di temperatura di u moderatore diventerà pusitivu.

Per evità i prublemi sopra menzionati, una cumminazione di tossine combustibili, barre di cuntrollu è cuntrollu di compensazione chimica pò generalmente esse aduprata per u cuntrollu.

(2) Cum'è dopante per migliurà e prestazioni di i materiali strutturali di u reattore

I reattori necessitanu cumpunenti strutturali è elementi di carburante per avè un certu livellu di forza, resistenza à a corrosione è alta stabilità termica, impedendu ancu à i prudutti di fissione di entre in u refrigerante.

1) Acciaiu di terra rara

U reattore nucleare hà cundizioni fisiche è chimiche estreme, è ogni cumpunente di u reattore hà ancu esigenze elevate per l'acciaiu speciale utilizatu. L'elementi di terre rare anu effetti di mudificazione speciali nantu à l'acciaiu, cumprese principalmente a purificazione, u metamorfismu, a microlega è u miglioramentu di a resistenza à a corrosione. L'acciai chì cuntenenu terre rare sò ancu largamente usati in i reattori nucleari.

① Effettu di purificazione: A ricerca esistente hà dimustratu chì e terre rare anu un bon effettu di purificazione nantu à l'acciaiu fusu à alte temperature. Questu hè perchè e terre rare ponu reagisce cù elementi dannosi cum'è l'ossigenu è u zolfu in l'acciaiu fusu per generà cumposti à alta temperatura. I cumposti à alta temperatura ponu esse precipitati è scaricati in forma d'inclusioni prima chì l'acciaiu fusu si condensi, riducendu cusì u cuntenutu d'impurità in l'acciaiu fusu.

② Metamorfismu: invece, l'ossidi, i sulfuri o l'ossisulfuri generati da a reazione di a terra rara in l'acciaiu fusu cù elementi dannosi cum'è l'ossigenu è u zolfu ponu esse parzialmente ritenuti in l'acciaiu fusu è diventà inclusioni d'acciaiu cù un puntu di fusione altu. Queste inclusioni ponu esse aduprate cum'è centri di nucleazione eterogenei durante a solidificazione di l'acciaiu fusu, migliurendu cusì a forma è a struttura di l'acciaiu.

③ Microlega: s'è l'aghjunta di terra rara hè aumentata ulteriormente, a terra rara restante serà dissolta in l'acciaiu dopu chì a purificazione è u metamorfismu sopra citati sò cumpletati. Siccomu u raghju atomicu di a terra rara hè più grande di quellu di l'atomu di ferru, a terra rara hà una attività superficiale più alta. Durante u prucessu di solidificazione di l'acciaiu fusu, l'elementi di terra rara sò arricchiti à u cunfine di u granu, ciò chì pò riduce megliu a segregazione di l'elementi d'impurità à u cunfine di u granu, rinfurzendu cusì a suluzione solida è ghjucendu u rolu di microlega. D’altronde, per via di e caratteristiche di almacenamentu di l'idrogenu di e terre rare, ponu assorbe l'idrogenu in l'acciaiu, migliurendu cusì efficacemente u fenomenu di fragilizazione di l'idrogenu di l'acciaiu.

④ Migliurà a resistenza à a corrosione: L'aghjunta di elementi di terre rare pò ancu migliurà a resistenza à a corrosione di l'acciaiu. Questu hè perchè e terre rare anu un putenziale d'autocorrosione più altu ch'è l'acciaiu inox. Dunque, l'aghjunta di terre rare pò aumentà u putenziale d'autocorrosione di l'acciaiu inox, migliurendu cusì a stabilità di l'acciaiu in i mezi currusivi.

2). Studiu di Brevetti Chjave

Brevettu chjave: brevettu d'invenzione di un acciaio à bassa attivazione rinforzatu cù dispersione d'ossidu è u so metudu di preparazione da l'Istitutu di i Metalli, Accademia Cinese di e Scienze

Riassuntu di brevettu: Hè furnitu un acciaio à bassa attivazione rinforzatu cù dispersione d'ossidu adattatu per i reattori di fusione è u so metudu di preparazione, carattarizatu da u fattu chì a percentuale di elementi di lega in a massa tutale di l'acciaio à bassa attivazione hè: a matrice hè 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%, è 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Prucessu di fabricazione: fusione di a lega madre Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizazione di a polvere, macinazione à palle à alta energia di a lega madre èNanoparticella Y2O3polvere mista, estrazione chì avvolge a polvere, stampaggio per solidificazione, laminazione a caldo è trattamentu termicu.

Metudu d'aghjunta di terre rare: Aghjunghje nanoscalaY2O3particelle à a polvere atomizzata di lega madre per a macinazione à sfere ad alta energia, cù u mediu di macinazione à sfere chì hè Φ 6 è Φ 10 sfere d'acciaio duru miste, cù un'atmosfera di macinazione à sfere di gas argon 99,99%, un rapportu di massa di materiale di sfera di (8-10): 1, un tempu di macinazione à sfere di 40-70 ore è una velocità di rotazione di 350-500 r/min.

3）.Utilizatu per fà materiali di prutezzione da a radiazione di neutroni

① Principiu di prutezzione da a radiazione di neutroni

I neutroni sò cumpunenti di i nuclei atomichi, cù una massa statica di 1,675 × 10⁻²⁷ kg, chì hè 1838 volte a massa elettronica. U so raghju hè circa 0,8 × 10⁻¹⁵ m, simile in dimensione à un protone, simile à i raggi γ. I raggi sò ugualmente senza carica. Quandu i neutroni interagiscenu cù a materia, interagiscenu principalmente cù e forze nucleari in l'internu di u nucleu, è ùn interagiscenu micca cù l'elettroni in a cunchiglia esterna.

Cù u rapidu sviluppu di l'energia nucleare è di a tecnulugia di i reattori nucleari, sempre più attenzione hè stata prestata à a sicurezza di e radiazioni nucleari è à a prutezzione da e radiazioni nucleari. Per rinfurzà a prutezzione da e radiazioni per l'operatori chì sò stati impegnati in a manutenzione di l'equipaggiu di radiazioni è in u salvamentu in casu d'accidenti per un bellu pezzu, hè di grande impurtanza scientifica è valore ecunomicu sviluppà cumposti di schermatura ligera per l'abbigliamento protettivu. A radiazione di neutroni hè a parte più impurtante di a radiazione di i reattori nucleari. In generale, a maiò parte di i neutroni in cuntattu direttu cù l'esseri umani sò stati rallentati à neutroni di bassa energia dopu l'effettu di schermatura di neutroni di i materiali strutturali in u reattore nucleare. I neutroni di bassa energia si scontreranu elasticamente cù i nuclei cù un numeru atomicu più bassu è continueranu à esse moderati. I neutroni termichi moderati saranu assorbiti da elementi cù sezioni trasversali di assorbimentu di neutroni più grande, è infine si otterrà a schermatura di neutroni.

② Studiu di Brevetti Chjave

E proprietà ibride porose è organico-inorganiche dielementu di terra raragadoliniuI materiali di scheletru organicu metallicu à basa aumentanu a so cumpatibilità cù u polietilene, prumuvendu i materiali cumposti sintetizati per avè un cuntenutu di gadoliniu più altu è una dispersione di gadoliniu. L'altu cuntenutu è a dispersione di gadoliniu influenzeranu direttamente e prestazioni di schermatura di neutroni di i materiali cumposti.

Brevettu chjave: Istitutu di Scienza di i Materiali di Hefei, Accademia Cinese di e Scienze, brevettu d'invenzione di un materiale di schermatura cumpostu à struttura organica à basa di gadoliniu è u so metudu di preparazione

Riassuntu di u brevettu: U materiale di schermatura cumpostu di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu hè un materiale cumpostu furmatu mischjendugadoliniuMateriale di scheletru metallicu-organicu à basa di polietilene cù polietilene in un rapportu di pesu di 2:1:10 è furmatu per evaporazione di solvente o pressatura à caldu. I materiali di schermatura cumposti di scheletru metallicu-organicu à basa di gadoliniu anu una alta stabilità termica è capacità di schermatura di neutroni termichi.

Prucessu di fabricazione: selezziunà diversemetallu di gadoliniusali è ligandi organici per preparà è sintetizà diversi tipi di materiali di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu, lavenduli cù piccule molecule di metanolu, etanolu o acqua per centrifugazione, è attivenduli à alta temperatura in cundizioni di vuoto per rimuovere cumpletamente e materie prime residue senza reazione in i pori di i materiali di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu; U materiale di scheletru organometallicu à basa di gadoliniu preparatu in u passu hè agitatu cù una lozione di polietilene à alta velocità, o ultrasonicamente, o u materiale di scheletru organometallicu à basa di gadoliniu preparatu in u passu hè mischiatu à fusione cù polietilene à pesu moleculare ultra-altu à alta temperatura finu à chì hè cumpletamente mischiatu; Pone u materiale di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu / mischju di polietilene uniformemente mischiatu in u stampu, è ottene u materiale di schermatura cumpostu di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu furmatu per asciugatura per prumove l'evaporazione di u solvente o a pressatura à caldu; U materiale di schermatura cumpostu di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu preparatu hà una resistenza à u calore, proprietà meccaniche è una capacità di schermatura di neutroni termichi significativamente migliorate paragunatu à i materiali di polietilene puri.

Modu d'aghjunta di terre rare: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 o Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimeru di coordinazione cristallinu porosu chì cuntene gadoliniu, chì hè ottenutu per polimerizazione di coordinazione diGd (NO3) 3 • 6H2O o GdCl3 • 6H2Oè ligante carbossilatu organicu; A dimensione di u materiale di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu hè 50nm-2 μm; I materiali di scheletru metallicu organicu à basa di gadoliniu anu diverse morfologie, cumprese forme granulari, in forma di bastone o in forma d'agulla.

(4) Applicazione diScandiuin Radiochimica è industria nucleare

U metallu scandiu hà una bona stabilità termica è una forte prestazione di assorbimentu di fluoru, ciò chì ne face un materiale indispensabile in l'industria di l'energia atomica.

Brevettu chjave: China Aerospacial Development Beijing Institute of Aeronautic Materials, brevettu d'invenzione per una lega d'aluminiu zincu magnesiu scandiu è u so metudu di preparazione

Riassuntu di brevettu: Un zincu d'aluminiulega di scandiu di magnesiuè u so metudu di preparazione. A cumpusizione chimica è a percentuale in pesu di a lega d'aluminiu zincu magnesiu scandiu sò: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, impurità Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, altre impurità singole ≤ 0,05%, altre impurità totali ≤ 0,15%, è a quantità restante hè Al. A microstruttura di questu materiale in lega d'aluminiu zincu magnesiu scandiu hè uniforme è e so prestazioni sò stabili, cù una resistenza à a trazione finale di più di 400 MPa, una resistenza à u snervamentu di più di 350 MPa è una resistenza à a trazione di più di 370 MPa per giunti saldati. I prudutti materiali ponu esse aduprati cum'è elementi strutturali in l'industria aerospaziale, nucleare, i trasporti, l'articuli sportivi, l'armi è altri campi.

Prucessu di fabricazione: Passu 1, ingrediente secondu a cumpusizione di a lega sopra; Passu 2: Fonde in u fornu di fusione à una temperatura di 700 ℃ ~ 780 ℃; Passu 3: Raffinà u liquidu metallicu cumpletamente fusu, è mantene a temperatura di u metallu in l'intervallu di 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante a raffinazione; Passu 4: Dopu a raffinazione, deve esse lasciatu riposà cumpletamente; Passu 5: Dopu avè riposatu cumpletamente, cuminciate a fusione, mantene a temperatura di u fornu in l'intervallu di 690 ℃ ~ 730 ℃, è a velocità di fusione hè 15-200 mm / minutu; Passu 6: Eseguite u trattamentu di ricottura di omogeneizazione nantu à u lingotto di lega in u fornu di riscaldamentu, cù una temperatura di omogeneizazione di 400 ℃ ~ 470 ℃; Passu 7: Sbucciate u lingotto omogeneizatu è eseguite l'estrusione à caldu per pruduce profili cù un spessore di parete di più di 2,0 mm. Durante u prucessu di estrusione, a billetta deve esse mantenuta à una temperatura di 350 ℃ à 410 ℃; Passu 8: Stringhje u prufilu per u trattamentu di tempra in suluzione, cù una temperatura di suluzione di 460-480 ℃; Passu 9: Dopu à 72 ore di tempra in suluzione solida, furzà manualmente l'invecchiamentu. U sistema di invecchiamentu forzatu manuale hè: 90 ~ 110 ℃ / 24 ore + 170 ~ 180 ℃ / 5 ore, o 90 ~ 110 ℃ / 24 ore + 145 ~ 155 ℃ / 10 ore.

5. Riassuntu di a ricerca

In generale, e terre rare sò largamente aduprate in a fusione nucleare è a fissione nucleare, è anu parechji brevetti in direzzioni tecniche cum'è l'eccitazione à raggi X, a furmazione di plasma, u reattore à acqua ligera, u transuraniu, l'uranile è a polvere d'ossidu. In quantu à i materiali di u reattore, e terre rare ponu esse aduprate cum'è materiali strutturali di u reattore è materiali d'isolamentu ceramicu cunnessi, materiali di cuntrollu è materiali di prutezzione da e radiazioni di neutroni.