Applicazione di Elementi di a Terra Rara in Materiali Nucleari

1 、 Definizione di Materiali Nucleari

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

I materiali nucleari cumunimenti riferiti principalmente à i materiali utilizati in diverse parti di u reattore, cunnisciutu ancu com'è materiali di reattore.I materiali di u reattore includenu carburante nucleare chì subisce fissione nucleare sottu bombardamentu di neutroni, materiali di rivestimentu per cumpunenti di carburante nucleare, refrigeranti, moderatori di neutroni (moderatori), materiali di verge di cuntrollu chì assorbanu assai neutroni, è materiali riflettenti chì impediscenu a fuga di neutroni fora di u reattore.

2、 Relazione assuciata trà e risorse di a terra rara è e risorse nucleari

Monazite, ancu chjamatu phosphocerite è phosphocerite, hè un minerale accessori cumuni in a roccia ignea àcida intermediata è a roccia metamorfica.Monazite hè unu di i minerali principali di u minerale di metalli di terra rara, è esiste ancu in qualchi roccia sedimentaria.Rossu marrone, giallu, qualchì volta giallu marronu, cù un lustru grassu, clivatu cumpletu, durezza Mohs di 5-5,5, è gravità specifica di 4,9-5,5.

U minerale minerale principale di certi dipositi di terra rara di tipu di placer in Cina hè a monazite, situata principalmente in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, è He County, Guangxi.Tuttavia, l'estrazione di risorse di terra rara di tipu di placer spessu ùn hà micca significatu ecunomicu.Petri sulitarii spessu cuntenenu elementi riflessivi di thorium è sò ancu a fonte principale di plutoniu cummerciale.

3、 Panoramica di l'applicazione di e terre rare in a fusione nucleare è a fissione nucleare basatu annantu à l'analisi panoramica di patenti

Dopu chì e parolle chjave di l'elementi di ricerca di a terra rara sò cumplettamente espansi, sò cumminati cù e chjave di espansione è i numeri di classificazione di fissione nucleare è fusione nucleari, è cercate in a basa di dati Incopt.A data di ricerca hè u 24 d'aostu di u 2020. 4837 patenti sò stati ottenuti dopu una fusione di famiglia simplice, è 4673 patenti sò stati determinati dopu a riduzione di u rumore artificiale.

L'applicazioni di patenti di terre rare in u campu di a fissione nucleare o di fusione nucleare sò distribuite in 56 paesi / regioni, principarmenti cuncentrati in Giappone, Cina, Stati Uniti, Germania è Russia, etc. Un numeru considerableu di brevetti sò applicati in forma di PCT. , di quale l'applicazioni di tecnulugia di patenti chinese anu aumentatu, soprattuttu da 2009, entra in una tappa di crescita rapida, è u Giappone, i Stati Uniti è a Russia anu cuntinuatu à layout in questu campu per parechji anni (Figura 1).

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

Pò esse vistu da l'analisi di temi tecnichi chì l'applicazione di a terra rara in a fusione nucleare è a fissione nucleare si focalizeghja nantu à elementi di carburante, scintillatori, rilevatori di radiazioni, actinidi, plasma, reattori nucleari, materiali di scherma, assorbimentu di neutroni è altre direzzione tecniche.

4 、 Applicazioni Specifiche è Ricerca di Brevetti Chjave di Elementi di Terra Rara in Materiali Nucleari

Frà elli, a fusione nucleare è e reazzioni di fissione nucleare in materiali nucleari sò intensi, è i requisiti per i materiali sò stretti.Attualmente, i reattori di putenza sò principalmente reattori di fissione nucleare, è i reattori di fusione ponu esse popularizzati in grande scala dopu à 50 anni.L'applicazione diterra raraelementi in i materiali strutturali di u reattore;In i campi chimichi nucleari specifichi, l'elementi di a terra rara sò principarmenti usati in i bastoni di cuntrollu;In più,scandiuhè statu ancu usatu in a radiuchimica è l'industria nucleare.

（1） Cum'è velenu combustible 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 novi core hè generalmente relativamente alta.In particulare in i primi stadi di u primu ciculu di rifornimentu, quandu tuttu u carburante nucleare in u core hè novu, a reattività restante hè a più alta.À questu puntu, s'appoghjanu solu nantu à l'aumentu di i bastoni di cuntrollu per cumpensà a reattività residuale intruducerebbe più bastoni di cuntrollu.Ogni barra di cuntrollu (o fasciu di bastone) currisponde à l'intruduzioni di un mecanismu di guida cumplessu.Da una banda, questu aumenta i costi, è da l'altra banda, l'apertura di buchi in a testa di u vasu di pressione pò purtà à una diminuzione di a forza strutturale.Ùn hè solu micca economicu, ma ùn hè ancu permessu di avè una certa quantità di porosità è forza strutturale nantu à a testa di u vasu di pressione.In ogni casu, senza aumentà i bastoni di cuntrollu, hè necessariu d'aumentà a cuncentrazione di toxine cumpensu chimichi (cum'è l'acidu boricu) per cumpensà a reattività restante.In questu casu, hè faciule per a cuncentrazione di boru per sopra u limitu, è u coefficient di temperatura di u moderatore diventerà pusitivu.

Per evitari i prublemi citati, una cumminazione di tossine combustible, bastone di cuntrollu è cuntrollu di compensazione chimica pò generalmente esse usata per u cuntrollu.

（2） Cum'è dopante per rinfurzà u rendiment 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, mentre chì impediscenu ancu i prudutti di fissione di entre in u coolant.

1) .Acciaru di terra rara

U reattore nucleare hà cundizioni fisichi è chimichi estremi, è ogni cumpunente di u reattore hà ancu esigenze elevate per l'acciaio speciale utilizatu.L'elementi di a terra rara anu effetti speciali di mudificazione nantu à l'azzaru, cumpresa principalmente a purificazione, metamorfismu, microalloying, è migliurà a resistenza à a corrosione.L'acciai chì cuntenenu a terra rara sò ancu assai usati in i reattori nucleari.

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

② Metamorfismu: invece, l'ossidi, sulfuri o ossisulfuri generati da a reazione di terra rara in l'azzaru fusu cù elementi dannosi cum'è l'ossigenu è u zolfo ponu esse parzialmente ritenuti in l'acciaio fusu è diventanu inclusi di l'acciaio cun altu puntu di fusione. .Queste inclusioni ponu esse aduprate cum'è centri di nucleazione eterogeneu durante a solidificazione di l'azzaru fusu, migliurà cusì a forma è a struttura di l'azzaru.

③ Microalloying: se l'aghjunzione di a terra rara hè più aumentata, a terra rara restante serà dissolta in l'acciaio dopu chì a purificazione è u metamorfismu sopra sò finiti.Siccomu u raghju atomicu di a terra rara hè più grande di quellu di l'atomu di ferru, a terra rara hà attività di superficia più altu.Duranti u prucessu di solidificazione di l'azzaru fusu, l'elementi di a terra rara sò arricchiti à u cunfini di granu, chì ponu megliu riduce a segregazione di elementi impurità à u cunfini di granu, rinfurzendu cusì a suluzione solida è ghjucà u rolu di microalloying.Per d 'altra banda, per via di e caratteristiche di almacenamentu di l'idrogenu di e terre rare, ponu assorbe l'idrogenu in l'acciaio, migliurà cusì efficacemente u fenomenu di fragilità di l'idrogenu di l'acciaio.

④ Migliurà a resistenza à a corrosione: L'aghjunzione di elementi di terra rara pò ancu migliurà a resistenza à a corrosione di l'acciaio.Questu hè chì e terre rare anu un putenziale di corrosione più altu ch'è l'acciaio inox.Dunque, l'aghjunzione di terre rare pò aumentà u potenziale di l'autocurrusione di l'acciaio inossidabile, migliurà cusì a stabilità di l'azzaru in i media corrosivi.

2).Studiu di Brevetti Chjave

Brevettu chjave: brevettu d'invenzione di una dispersione d'ossidu rinfurzata l'acciaio à bassa attivazione è u so metudu di preparazione da l'Istitutu di Metalli, l'Academia Cinese di Scienze

Astrattu di brevettu: Fornitu hè un azzaru à bassa attivazione rinfurzatu da dispersione d'ossidu adattatu per i reattori di fusione è u so metudu di preparazione, carattarizatu da 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%, ≤ 0.1%, ≤ 0.1% 2O3 ≤ 0,5% .

Prucessu di fabricazione: fusione di lega madre Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizazione di polveri, fresatura di bola d'alta energia di a lega madre èNanoparticella Y2O3polvere mista, estrazione avvolgente di polvere, stampaggio di solidificazione, laminazione a caldo e trattamento termico.

Metudu di aghjunta di terre rare: aghjunghje nanoscalaY2O3particelle à a polvera atomizzata di lega parentale per a fresatura di bola d'alta energia, cù u mediu di fresatura di sfera essendu Φ 6 è Φ 10 sfere d'acciaio duru mistu, cù una atmosfera di fresatura di bola di 99,99% gas argon, un rapportu di massa di materiale di bola di (8- 10): 1, un tempu di fresa palla di 40-70 ore, è una vitezza di rotazione di 350-500 r/min.

3）.Usatu per fà materiali di prutezzione di a radiazione di neutroni

① Principiu di prutezzione di a radiazione di neutroni

I neutroni sò cumpunenti di nuclei atomichi, cù una massa statica di 1.675 × 10-27kg, chì hè 1838 volte a massa elettronica.U so raghju hè di circa 0,8 × 10-15 m, simile in grandezza à un protone, simili à i raghji γ sò ugualmente senza carica.Quandu i neutroni interagiscenu cù a materia, interagiscenu principarmenti cù e forze nucleari in u nucleu, è ùn interagiscenu micca cù l'elettroni in a cunchiglia esterna.

Cù u rapidu sviluppu di l'energia nucleare è a tecnulugia di u reattore nucleare, più è più attente hè stata pagata à a sicurità di a radiazione nucleare è a prutezzione di a radiazione nucleare.Per rinfurzà a prutezzione di a radiazione per l'operatori chì sò stati impegnati in u mantenimentu di l'equipaggiu di radiazione è u salvamentu d'accidenti per un bellu pezzu, hè di grande significazione scientifica è valore ecunomicu per sviluppà cumposti di schermatura leggera per vestiti protettivi.A radiazione di neutroni hè a parte più impurtante di a radiazione di u reattore nucleare.In generale, a maiò parte di i neutroni in cuntattu direttu cù l'omu sò stati rallentati à neutroni di bassa energia dopu à l'effettu di schermatura di neutroni di i materiali strutturali in u reattore nucleare.I neutroni di bassa energia collideranu cù nuclei cù un numeru atomicu più bassu elasticamente è cuntinueghjanu à esse moderatu.I neutroni termali moderati seranu assorbiti da elementi cù sezioni trasversali di assorbimentu di neutroni più grande, è infine u schermu di neutroni serà ottenutu.

② Studiu di Brevetti Chjave

I pruprietà ibridi porosi è organici-inorganici dielementu di terra raragadoliniui materiali di scheletru organicu di metalli basatu aumentanu a so cumpatibilità cù u polietilene, chì prumove i materiali compositi sintetizzati per avè un cuntenutu più altu di gadoliniu è a dispersione di gadoliniu.L'altu cuntenutu di gadoliniu è a dispersione affettanu direttamente a prestazione di schermatura di neutroni di i materiali compositi.

Brevettu chjave: Istitutu Hefei di Scienze di i Materiali, Accademia Cinese di Scienze, brevettu d'invenzione di un materiale di schermatura compostu di quadru organicu basatu di gadoliniu è u so metudu di preparazione

Patent Abstract: U materiale di schermatura cumpostu di scheletru organicu di metallu à base di gadoliniu hè un materiale cumpostu furmatu da u mischju.gadoliniumateriale di scheletru organicu di metallu basatu cù polietilene in un rapportu di pesu di 2: 1: 10 è furmendu per evaporazione di solvente o pressa calda.I materiali di schermatura cumposti di scheletru organicu di metalli basatu in gadoliniu anu una alta stabilità termica è capacità di schermatura di neutroni termichi.

Prucessu di fabricazione: selezziunà diversegadoliniu metallusali è ligandi urgànichi per preparà è sintetizà diversi tipi di materiali di scheletri organici metallichi à base di gadolinium, lavà cù picculi molécules di metanol, etanol, o acqua per centrifugazione, è attivendu à alta temperatura in cundizioni di vacuum per caccià cumplettamente i residuali di materia prima senza reazione. in i pori di i materiali di scheletri organici di metalli basatu di gadoliniu;U materiale di scheletru organometallicu basatu di gadolinium preparatu in u passu hè agitatu cù lotione di polietilene à una alta vitezza, o ultrasonicamente, o u materiale di scheletru organometallicu di gadolinium preparatu in u passu hè fusu mischiatu cù polietilene ultra-high molecolari à a temperatura alta finu à a piena mistura;Mettite u materiale di scheletru organicu di metallu basatu in gadoliniu uniformemente mistu / mistura di polietilene in u moldu, è uttene u materiale di schermu cumpostu di scheletru organicu di gadoliniu basatu à gadoliniu siccatu per prumove l'evaporazione di solventi o pressa calda;U materiale di schermatura compostu di scheletru organicu di metalli di gadoliniu preparatu hà migliuratu significativamente a resistenza à u calore, e proprietà meccaniche è una capacità superiore di schermatura di neutroni termichi cumparatu cù materiali di polietilene puri.

Modalità di addizione di terre rare: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 o Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 polimeru di coordinazione cristallina porosa chì cuntene gadoliniu, chì hè ottenutu da polimerizazione di coordinazione diGd (NO3) 3 • 6H2O o GdCl3 • 6H2Oè ligandu carboxylate organicu;A dimensione di u materiale di scheletru organicu di metallu basatu in gadoliniu hè 50nm-2 μm； I materiali di scheletru organicu di metallo basatu in gadoliniu anu diverse morfologie, cumprese forme granulari, a forma di bastone o a forma di agulla.

(4) Applicazione diScandiumin Radiochimica è industria nucleare

U metallu Scandium hà una bona stabilità termica è una forte prestazione di assorbimentu di fluoru, facendu un materiale indispensabile in l'industria di l'energia atomica.

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

Astrattu di brevettu: Un zincu d'aluminiulega di magnesiu scandiuè u so modu di preparazione.A cumpusizioni chimica è u percentualità di pesu di l'alliage di scandiu di magnesiu di zincu d'aluminiu 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 sola ≤ 0,05%, altre impurità totali ≤ 0,15%, è a quantità restante hè Al.A microstruttura di stu materiale in lega d'aluminiu zincu magnesiu scandiu hè uniforme è a so prestazione hè stabile, cù una forza di trazione finale di più di 400MPa, una forza di rendimentu di più di 350MPa, è una forza di tensione di più di 370MPa per i giunti saldati.I prudutti di materiale ponu esse usatu cum'è elementi strutturali in l'aerospaziale, l'industria nucleare, u trasportu, l'articuli sportivi, l'arme è altri campi.

Prucessu di fabricazione: Passu 1, ingredientu secondu a cumpusizioni di lega sopra;Passu 2: Melt in u furnace di smelting à una temperatura di 700 ℃ ~ 780 ℃;Passu 3: Raffinate u liquidu di metallu funnu cumpletamente, è mantene a temperatura di u metale in u range di 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante a raffinazione;Passu 4: Dopu à raffinamentu, deve esse cumplettamente permessu di stà fermu;Passu 5: Dopu à stallà cumplettamente, principià a casting, mantene a temperatura di u fornu in u range di 690 ℃ ~ 730 ℃, è a vitezza di casting hè 15-200 mm / minutu;Passu 6: Eseguite u trattamentu di annealing d'homogeneizazione nantu à u lingotti di lega in u fornu di riscaldamentu, cù una temperatura di homogenizazione di 400 ℃ ~ 470 ℃;Passu 7: Sbuccia u lingotto homogenizatu è eseguite l'estrusione calda per pruduce profili cù un spessore di parete di più di 2,0 mm.Durante u prucessu di extrusion, u billet deve esse mantinutu à una temperatura di 350 ℃ à 410 ℃;Passu 8: Squeeze u prufilu per u trattamentu di quenching di suluzione, cù una temperatura di suluzione di 460-480 ℃;Passu 9: Dopu à 72 ore di solu suluzione solida, forzà manualmente l'invecchiamento.U sistema di invechjamentu di forza manuale hè: 90 ~ 110 ℃ / 24 ore + 170 ~ 180 ℃ / 5 ore, o 90 ~ 110 ℃ / 24 ore + 145 ~ 155 ℃ / 10 ore.

5 、 Riassuntu di ricerca

In generale, e terre rare sò largamente usate in a fusione nucleare è a fissione nucleare, è anu parechje schemi di patenti in direzzione tecniche cume l'excitazione di raghji X, a furmazione di plasma, u reattore d'acqua ligera, u transuranium, l'uranilu è u polu d'ossidu.In quantu à i materiali di reattore, e terre rare ponu esse aduprate cum'è materiali strutturali di reattori è materiali d'insulazione ceramica cunnessi, materiali di cuntrollu è materiali di prutezzione di a radiazione di neutroni.