Anwendung von Seltenerdelementen in Kernmaterialien

1 、 Definition von Kernmaterialien

In einem breiten Sinne ist Kernmaterial der allgemeine Begriff für Materialien, die ausschließlich in der Kernindustrie und in der nuklearen wissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden, einschließlich Kernkraftstoff- und Kerntechnik, dh nicht nuklearer Brennstoffmaterialien.

Die allgemein genannten Kernmaterialien beziehen sich hauptsächlich auf Materialien, die in verschiedenen Teilen des Reaktors verwendet werden, auch als Reaktormaterial bezeichnet. Zu den Reaktormaterialien gehören Kernbrennstoff, die sich unter Neutronen -Bombardierung, Verkleidungsmaterialien für Kernbrennstoffkomponenten, Kühlmittel, Neutronen Moderatoren (Moderatoren), Kontrollstangenmaterialien, die neutron und reflektierende Materialien verhindern, die außerhalb des Reaktors verhindern, unterbrochen werden.

2 、 CO ASSERICALE Verhältnis zwischen Seltenen Erdressourcen und nuklearen Ressourcen

Monazit, auch Phosphocerit und Phosphocerit genannt, ist ein häufiges Accessoire -Mineral in mittlerer Säure -Ignes -Gestein und metamorphem Gestein. Monazit ist eines der Hauptmineralien des Seltenen Erdmetallerzes und existiert auch in Sedimentgestein. Bräunlich rot, gelb, manchmal bräunlich gelb, mit einem fettigen glanz, vollständigen spaltungen, mohs härte von 5-5,5 und spezifisches Schwerkraft von 4,9-5,5.

Das Haupt -Erzmineral einiger Seltenerdablagerungen von Placer -Typen in China ist Monazit, hauptsächlich in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan und He County, Guangxi. Die Extraktion der Ressourcen für seltene Erdtypen von Placer hat jedoch häufig keine wirtschaftliche Bedeutung. Solitärsteine ​​enthalten häufig reflexive Thoriumelemente und sind auch die Hauptquelle für kommerzielles Plutonium.

3 、 Übersicht über die Anwendung von Seltenerd in der Kernfusion und Kernspaltung basierend auf der Analyse des Patentpanoramals

Nachdem die Schlüsselwörter von Seltenerdsuchelementen vollständig erweitert sind, werden sie mit den Expansionsschlüssel und der Klassifizierungszahlen der nuklearen Spaltung und der nuklearen Fusion kombiniert und in der Incopt -Datenbank gesucht. Das Suchdatum ist der 24. August 2020. 4837 Patente wurden nach einer einfachen Familienabwicklung erhalten, und 4673 Patente wurden nach künstlicher Rauschreduzierung ermittelt.

Patentanmeldungen für Seltene erd auf dem Gebiet der Kernspaltung oder der Kernfusion werden in 56 Ländern/Regionen verteilt, die hauptsächlich in Japan, China, den USA, Deutschland und Russland konzentriert sind. Eine beträchtliche Anzahl von Patenten wird in Form von PCT angewendet, von denen die Anwendungen der chinesischen Patenttechnologie seit 2009 in einem Vergewaltigungswachstum und in Japan.

Abbildung 1 Anwendungstrend zu Technologiepatenten im Zusammenhang mit der Anwendung Seltener Erden bei nuklearen Kernspaltung und nuklearen Fusion in Ländern/Regionen

Aus der Analyse technischer Themen ist die Anwendung von Seltenerde in Kernfusion und Kernspaltung auf Kraftstoffelemente, Szintillatoren, Strahlungsdetektoren, Aktinide, Plasmen, Kernreaktoren, Abschirmmaterialien, Neutronenabsorption und andere technische Richtungen zu sehen.

4 、 Spezifische Anwendungen und wichtige Patentforschung von Seltenerdelementen in Kernmaterialien

Unter ihnen sind Kernfusions- und Kernspaltreaktionen in Kernmaterialien intensiv und die Anforderungen an Materialien streng. Gegenwärtig sind Leistungsreaktoren hauptsächlich Kernspaltung Reaktoren, und Fusionsreaktoren können nach 50 Jahren in großem Maßstab populär gemacht werden. Die Anwendung vonSeltene ErdeElemente in Reaktorstrukturmaterialien; In spezifischen Kernchemikalienfeldern werden seltene Erdelemente hauptsächlich in Kontrollstäben verwendet. Zusätzlich,Skandiumwurde auch in der Radiochemie und in der Nuklearindustrie eingesetzt.

（1） als brennbares Gift- oder Kontrollstab zur Einstellung des Neutronenspiegels und des kritischen Zustands des Kernreaktors

Bei Leistungsreaktoren ist die anfängliche Restreaktivität neuer Kerne im Allgemeinen relativ hoch. Insbesondere in den frühen Stadien des ersten Tank -Zyklus, wenn der gesamte Kernbrennstoff im Kern neu ist, ist die verbleibende Reaktivität am höchsten. Zu diesem Zeitpunkt würde sich das Ausschieben der Restreaktivität ausschließlich auf zunehmende Kontrollstangen auskompensieren. Jede Kontrollstange (oder Stangenbündel) entspricht der Einführung eines komplexen Antriebsmechanismus. Einerseits erhöht dies die Kosten, und andererseits kann das Öffnen von Löchern des Druckbehälterkopfes zu einer Verringerung der strukturellen Festigkeit führen. Es ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern auch nicht eine gewisse Porosität und strukturelle Festigkeit am Druckbehälter. Ohne die Kontrollstäbe zu erhöhen, ist es jedoch erforderlich, die Konzentration der chemisch -kompensiven Toxine (wie Borsäure) zu erhöhen, um die verbleibende Reaktivität auszugleichen. In diesem Fall ist es für die Borkonzentration leicht, den Schwellenwert zu überschreiten, und der Temperaturkoeffizient des Moderators wird positiv.

Um die oben genannten Probleme zu vermeiden, kann eine Kombination aus brennbaren Toxinen, Kontrollstäben und der Kontrolle der chemischen Kompensation im Allgemeinen zur Kontrolle verwendet werden.

（2） als Dotierung zur Verbesserung der Leistung von Reaktorstrukturmaterialien

Reaktoren erfordern strukturelle Komponenten und Kraftstoffelemente, um ein gewisses Maß an Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe thermische Stabilität aufweisen und gleichzeitig die Einreise von Spaltprodukten in das Kühlmittel einzudämmen.

1) .Rare Earth Stahl

Der Kernreaktor hat extreme physikalische und chemische Bedingungen, und jede Komponente des Reaktors hat auch hohe Anforderungen für den verwendeten Spezialstahl. Seltenerdelemente haben spezielle Modifikationseffekte auf Stahl, hauptsächlich Reinigung, Metamorphismus, Mikroalloying und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Seltene Erden, die Stähle enthalten, werden auch in Kernreaktoren weit verbreitet.

① Reinigungseffekt: Bestehende Untersuchungen haben gezeigt, dass Seltene Erden einen guten Reinigungseffekt auf geschmolzene Stahl bei hohen Temperaturen haben. Dies liegt daran, dass Seltene Erden mit schädlichen Elementen wie Sauerstoff und Schwefel im geschmolzenen Stahl reagieren können, um Hochtemperaturverbindungen zu erzeugen. Die Hochtemperaturverbindungen können in Form von Einschlüssen ausgefällt und in Form von Einschlüssen entlassen werden, bevor der geschmolzene Stahl kondensiert, wodurch der Verunreinigungsgehalt im geschmolzenen Stahl verringert wird.

② Metamorphismus: Andererseits können die Oxide, Sulfide oder Oxysulfide, die durch die Reaktion der Seltenen Erde im geschmolzenen Stahl mit schädlichen Elementen wie Sauerstoff und Schwefel erzeugt werden, teilweise im geschmolzenen Stahl zurückgehalten werden und werden Einschluss von Stahl mit hohem Schmelzpunkt. Diese Einschlüsse können während der Verfestigung des geschmolzenen Stahls als heterogene Keimbildungszentren verwendet werden, wodurch die Form und Struktur von Stahl verbessert wird.

③ Mikroalloying: Wenn die Zugabe von Seltenerde weiter erhöht wird, wird die verbleibende Seltene Erde nach Abschluss der obigen Reinigung und der Metamorphismus im Stahl gelöst. Da der Atomradius der Seltenen Erde größer ist als der des Eisenatoms, hat Seltene Erde eine höhere Oberflächenaktivität. Während des Verfestigungsprozesses von geschmolzenem Stahl werden Seltenerdelemente an der Korngrenze angereichert, was die Trennung von Unreinheiten an der Korngrenze besser verringern kann, wodurch die feste Lösung verstärkt und die Rolle des Mikroalloyens spielt. Andererseits können sie aufgrund der Wasserstoffspeichereigenschaften von Seltenen Erden Wasserstoff in Stahl aufnehmen, wodurch das Phänomen des Wasserstoffversprechtungsphänoms von Stahl effektiv verbessert wird.

④ Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit: Die Zugabe von Seltenerdelementen kann auch die Korrosionsbeständigkeit von Stahl verbessern. Dies liegt daran, dass seltene Erden ein höheres Selbstkorrosionspotential als Edelstahl aufweisen. Daher kann die Zugabe von Seltenen Erden das Selbstkorrosionspotential von Edelstahl erhöhen und damit die Stabilität von Stahl in korrosiven Medien verbessern.

2). Schlüsselstudie

Schlüsselpatent: Erfindungspatent einer Oxiddispersion stärkte Stahl mit geringer Aktivierung und seine Vorbereitungsmethode durch das Institut für Metals, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Patent Abstract: Vorausgesetzt, ist eine Oxiddispersion, die für Fusionsreaktoren geeignet ist, und deren Präparationsmethode, die darin gekennzeichnet ist, als der Prozentsatz der Legierungselemente in der Gesamtmasse des Stahls mit niedrigem Aktivierungsstahl beträgt: Die Matrix ist Fe, 0,08% ≤ c ≤ 0,15% ≤ 0,0% g. 0,03%≤ TA ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%und 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Herstellungsprozess: Fe-CR-WV-MN-Mutter-Legierungs-Schmelzen, Pulverzerstäubung, energiereicher Ballmahlen der Mutterlegierung undY2O3 NanopartikelMischpulver, Pulverhüllungsextraktion, Verfestigung von Formteilen, heißes Rollen und Wärmebehandlung.

Additionsmethode für seltene Erden: Nanoskala hinzufügenY2o3Partikel an dem übergeordneten legierten pulver für hochenergiefarbene Kugelmahlen, wobei das Kugelmahlingmedium φ 6 und φ 10 gemischte Hartstahlkugeln beträgt, mit einer Kugelmahlen-Atmosphäre von 99,99% Argongas, einer Kugelmaterial-Massenverhältnis von (8-10): 1, eine Kugelmühlenzeit von 40 bis 70 Stunden und eine Rotationsgeschwindigkeit von 350 bis 500 R/min.

3）.

① Prinzip des Neutronenstrahlungsschutzes

Neutronen sind Bestandteile von Atomkernen mit einer statischen Masse von 1,675 × 10-27 kg, was dem 1838-fachen der elektronischen Masse ist. Sein Radius beträgt ungefähr 0,8 × 10-15 m, ähnlich wie ein Proton, ähnlich wie γ-Strahlen sind gleichermaßen nicht aufgeladen. Wenn Neutronen mit Materie interagieren, interagieren sie hauptsächlich mit den Kernkräften im Kern und interagieren nicht mit den Elektronen in der äußeren Hülle.

Mit der rasanten Entwicklung der Kernenergie- und Kernreaktor -Technologie wurde mehr und mehr Aufmerksamkeit auf die Sicherheit der Kernstrahlung und den Schutz der Kernstrahlung geschenkt. Um den Strahlungsschutz für Betreiber zu stärken, die seit langer Zeit in Wartung und Unfallrettung von Strahlengeräten beteiligt sind, ist es von großer wissenschaftlicher Bedeutung und wirtschaftlicher Wert, um leichte Abschirmverbindungen für Schutzkleidung zu entwickeln. Neutronenstrahlung ist der wichtigste Teil der Kernreaktorstrahlung. Im Allgemeinen wurden die meisten Neutronen im direkten Kontakt mit Menschen nach dem Neutronenabschirmungseffekt der Strukturmaterialien innerhalb des Kernreaktors auf niedrigsenergische Neutronen verlangsamt. Niedrige Energie -Neutronen kollidieren mit Kernen mit geringerer Atomzahl elastisch und werden weiterhin moderiert. Die moderierten thermischen Neutronen werden durch Elemente mit größeren Neutronenabsorptionsquerschnitten absorbiert, und schließlich wird eine Neutronenabschirmung erreicht.

② Key Patent -Studie

Die porösen und organischen hybriden Eigenschaften vonSeltenerdelementGadoliniumBasierte Metall -organische Skelettmaterialien erhöhen ihre Kompatibilität mit Polyethylen und fördern die synthetisierten Verbundmaterialien auf einen höheren Gadoliniumgehalt und die Gadoliniumdispersion. Der hohe Gadoliniumgehalt und die Dispersion beeinflussen direkt die Neutronenabschirmleistung der Verbundwerkstoffe.

Schlüsselpatent: HEFEI -Institut für Materialwissenschaft, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Erfindung Patent eines auf Gadolinium basierenden organischen Rahmens Composite -Abschirmmaterial und seiner Vorbereitungsmethode

Patent Abstract: Metall -Metall -Skelett -Verbundschützmaterial auf Gadoliniumbasis ist ein Verbundmaterial, das durch Mischen gebildet wirdGadoliniumBasis Metall -organisches Skelettmaterial mit Polyethylen in einem Gewichtsverhältnis von 2: 1: 10 und bildet es durch Lösungsmittelverdampfung oder heißes Pressen. Metall organische Skelettverbundschutzmaterialien auf Gadoliniumbasis haben eine hohe thermische Stabilität und die thermische Neutronenabschütz -Fähigkeit.

Herstellungsprozess: Andere AuswahlGadoliniummetallSalze und organische Liganden zur Herstellung und Synthese verschiedener Arten von Metall -Skelettmaterialien auf Gadoliniumbasis, waschen sie mit kleinen Molekülen aus Methanol, Ethanol oder Wasser durch Zentrifugation und aktivieren sie bei hohen Temperaturen unter vakuumischen Bedingungen, um die verbleibenden Rohstoffmaterialien in den Poren der Gadolinium -basierten organischen Skelettmaterialien vollständig zu entfernen. Das im Schritt hergestellte in Gadoliniumbasis basierende organometallische Skelettmaterial wird mit hoher Geschwindigkeit oder Ultraschall mit Polyethylenlotion gerührt, und das im Schritt hergestellte in Gadoliniumbasis mit hoher Temperatur hergestellte Molekulargewicht bei hoher Temperatur bis vollständig gemischt wird das in Gadoliniumbasis hergestellte molekulare Polyethylen. Legen Sie das gleichmäßig gemischte Mischmaterial/Polyethylen -Gemisch mit Metallskelett-/Polyethylen -Mischung in der Form und erhalten Sie das gebildete Metall -Skelett -Verbundschützmaterial auf Gadoliniumbasis, indem Sie die Lösungsmittelverdunstung oder das heiße Pressen fördern. Das vorbereitete Metall -Skelett -Verbundschützmaterial auf Gadoliniumbasis Metall -Skelettverbund hat im Vergleich zu reinen Polyethylenmaterialien eine signifikant verbesserte Wärmebeständigkeit, mechanische Eigenschaften und überlegene thermische Neutronenabschütz -Fähigkeit.

Additionsmodus von Seltenerd: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 oder GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Poröser kristalline Koordinationspolymer, das Gadolinium enthält, das durch Koordinationspolymerisation von erhalten wirdGD (NO3) 3 • 6H2O oder GDCL3 • 6H2Ound organischer Carboxylatligand; Die Größe des organischen Skelettmaterials auf Gadoliniumbasis beträgt 50 nm-2 μ M ； Gadolinium-Basis-Metall-Skelett-Skelettmaterialien wie körnig, stäbchenförmige oder nadelförmige Formen.

（4） Anwendung vonSkandiumin Radiochemie und Atomindustrie

Scandium Metall hat eine gute thermische Stabilität und eine starke Fluor -Absorptionsleistung, was es zu einem unverzichtbaren Material in der Atomergieindustrie macht.

Schlüsselpatent: China Aerospace Development Peking Institute für Luftfahrtmaterial

Patent -Zusammenfassung: Ein AluminiumzinkMagnesium -Scandium -Legierungund seine Vorbereitungsmethode. Die chemische Zusammensetzung und der Gewichtsprozentsatz der Aluminium -Zink -Magnesium -Scandium -Legierung beträgt: mg 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, sc 0,04%-0,50%, Zr 0,04%-0,35%, Verunreinigungen Cu ≤ 0,2%, SI 0,35%, andere Unruhigkeit, andere Unruhigkeit, Fe ≤ 0,4%, ≤ 0,4%, ≤ 0,4%. 0,15%, und die verbleibende Menge ist al. Die Mikrostruktur dieses Aluminium -Zink -Magnesium -Scandium -Legierungsmaterials ist gleichmäßig und seine Leistung ist stabil, mit einer ultimativen Zugfestigkeit von über 400 MPa, einer Streckgrenze von über 350 mPa und einer Zugfestigkeit von über 370 mPa für Schweißverbindungen. Die materiellen Produkte können als strukturelle Elemente in der Luft- und Raumfahrt, in der Nuklearindustrie, im Transport, in den Sportartikeln, in der Waffen und in anderen Bereichen verwendet werden.

Herstellungsprozess: Schritt 1, Zutat nach der obigen Legierungszusammensetzung; Schritt 2: Schmelzen Sie im Schmelzofen bei einer Temperatur von 700 ℃ ~ 780 ℃; Schritt 3: Verfeinern Sie die vollständig geschmolzene Metallflüssigkeit und halten Sie die Metalltemperatur im Bereich von 700 ° ~ 750 ° C während der Verfeinerung auf. Schritt 4: Nach der Verfeinerung sollte es voll und ganz still sein. SCHRITT 5: Nach dem vollständigen Stehen beginnen Sie mit dem Gießen die Ofentemperatur im Bereich von 690 ° ~ 730 ° C und die Gussgeschwindigkeit beträgt 15-200 mm/Minute. Schritt 6: Führen Sie die Homogenisierung Tempernbehandlung auf der Legierung im Heizofen mit einer Homogenisierungstemperatur von 400 ℃ ~ 470 ℃ durch; SCHRITT 7: Schälen Sie den homogenisierten Inferen und führen Sie eine heiße Extrusion durch, um Profile mit einer Wandstärke von über 2,0 mm zu produzieren. Während des Extrusionsprozesses sollte der Billet bei einer Temperatur von 350 ℃ bis 410 ° C gehalten werden. Schritt 8: Drücken Sie das Profil für die Lösungslöschung mit einer Lösungstemperatur von 460-480 ℃ zusammen; Schritt 9: Nach 72 Stunden fester Lösung des Lösens erzwingen Sie manuell das Altern. Das manuelle Kraftalterungssystem lautet: 90 ~ 110 ℃/24 Stunden+170 ~ 180 ℃/5 Stunden oder 90 ~ 110 ℃/24 Stunden+145 ~ 155 ℃/10 Stunden.

5 、 Forschungszusammenfassung

Insgesamt werden Seltene Erden in der Kernfusion und Kernspaltung häufig eingesetzt und haben viele Patentlayouts in technische Richtungen wie Röntgenanregung, Plasmakortierung, Lichtwasserreaktor, Transuranium, Uranyl und Oxidpulver. Bei Reaktormaterialien können Seltene erden als Reaktorstrukturmaterial und verwandte Keramikisolationsmaterialien, Kontrollmaterialien und Neutronenstrahlungsschutzmaterialien verwendet werden.