Anwendung von Seltenerdelementen in Kernmaterialien

1、 Definition von Kernmaterialien

Im weitesten Sinne ist Kernmaterial die allgemeine Bezeichnung für Materialien, die ausschließlich in der Nuklearindustrie und der nuklearwissenschaftlichen Forschung verwendet werden, einschließlich Kernbrennstoffen und kerntechnischen Materialien, also nichtnuklearen Brennstoffmaterialien.

Die allgemein als Kernmaterialien bezeichneten Materialien beziehen sich hauptsächlich auf Materialien, die in verschiedenen Teilen des Reaktors verwendet werden und auch als Reaktormaterialien bezeichnet werden. Zu den Reaktormaterialien gehören Kernbrennstoff, der unter Neutronenbeschuss eine Kernspaltung erfährt, Hüllmaterialien für Kernbrennstoffkomponenten, Kühlmittel, Neutronenmoderatoren (Moderatoren), Steuerstabmaterialien, die Neutronen stark absorbieren, und reflektierende Materialien, die ein Austreten von Neutronen aus dem Reaktor verhindern.

2、 Zusammenhang zwischen seltenen Erdressourcen und nuklearen Ressourcen

Monazit, auch Phosphocerit und Phosphocerit genannt, ist ein häufiges Begleitmineral in mittelsauren magmatischen Gesteinen und metamorphen Gesteinen. Monazit ist eines der Hauptminerale von Seltenerdmetallerzen und kommt auch in einigen Sedimentgesteinen vor. Bräunlichrot, gelb, manchmal bräunlichgelb, mit fettigem Glanz, vollständiger Spaltung, Mohs-Härte von 5–5,5 und spezifischem Gewicht von 4,9–5,5.

Das Haupterzmineral einiger Seltenerdvorkommen vom Placer-Typ in China ist Monazit, das hauptsächlich in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan und He County, Guangxi, vorkommt. Die Gewinnung von Seltenerdressourcen vom Placer-Typ hat jedoch häufig keine wirtschaftliche Bedeutung. Einzelne Steine ​​enthalten oft reflexartige Thoriumelemente und sind auch die Hauptquelle für kommerzielles Plutonium.

3、 Überblick über die Anwendung seltener Erden in der Kernfusion und Kernspaltung basierend auf einer Patent-Panoramaanalyse

Nachdem die Schlüsselwörter der Suchelemente für seltene Erden vollständig erweitert wurden, werden sie mit den Erweiterungsschlüsseln und Klassifizierungsnummern für Kernspaltung und Kernfusion kombiniert und in der Incopt-Datenbank durchsucht. Das Suchdatum ist der 24. August 2020. 4837 Patente wurden nach einfacher Familienzusammenführung erhalten, und 4673 Patente wurden nach künstlicher Lärmreduzierung ermittelt.

Patentanmeldungen für seltene Erden im Bereich der Kernspaltung oder Kernfusion sind auf 56 Länder/Regionen verteilt und konzentrieren sich hauptsächlich auf Japan, China, die Vereinigten Staaten, Deutschland und Russland usw. Eine beträchtliche Anzahl von Patenten wird in Form von PCT angemeldet , von denen chinesische Patenttechnologieanmeldungen insbesondere seit 2009 zugenommen haben und in ein schnelles Wachstumsstadium eintreten, und Japan, die Vereinigten Staaten und Russland sind seit vielen Jahren weiterhin in diesem Bereich tätig (Abbildung 1).

Abbildung 1 Anwendungstrend von Technologiepatenten im Zusammenhang mit der Anwendung seltener Erden in der Kernspaltung und Kernfusion in Ländern/Regionen

Aus der Analyse technischer Themen geht hervor, dass sich die Anwendung seltener Erden in der Kernfusion und Kernspaltung auf Brennelemente, Szintillatoren, Strahlungsdetektoren, Aktiniden, Plasmen, Kernreaktoren, Abschirmmaterialien, Neutronenabsorption und andere technische Richtungen konzentriert.

4、 Spezifische Anwendungen und wichtige Patentforschung für Seltenerdelemente in Kernmaterialien

Unter ihnen sind Kernfusions- und Kernspaltungsreaktionen in Kernmaterialien intensiv und die Anforderungen an Materialien sind streng. Derzeit handelt es sich bei Leistungsreaktoren hauptsächlich um Kernspaltungsreaktoren, und Fusionsreaktoren könnten nach 50 Jahren in großem Maßstab populär werden. Die Anwendung vonseltene ErdeElemente in Reaktorstrukturmaterialien; In bestimmten Bereichen der Kernchemie werden Seltenerdelemente hauptsächlich in Steuerstäben verwendet; Zusätzlich,Scandiumwurde auch in der Radiochemie und der Nuklearindustrie eingesetzt.

(1) Als brennbares Gift oder Steuerstab zur Einstellung des Neutronenniveaus und des kritischen Zustands des Kernreaktors

Bei Leistungsreaktoren ist die anfängliche Restreaktivität neuer Kerne im Allgemeinen relativ hoch. Besonders in den frühen Phasen des ersten Betankungszyklus, wenn der gesamte Kernbrennstoff neu ist, ist die verbleibende Reaktivität am höchsten. Wenn man sich an diesem Punkt ausschließlich auf eine Erhöhung der Steuerstäbe zur Kompensation der Restreaktivität verlassen würde, wären mehr Steuerstäbe erforderlich. Jeder Steuerstab (oder jedes Stabbündel) entspricht der Einführung eines komplexen Antriebsmechanismus. Dies erhöht einerseits die Kosten, andererseits kann das Öffnen von Löchern im Druckbehälterkopf zu einer Verringerung der Strukturfestigkeit führen. Dies ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern es darf auch keine gewisse Porosität und Strukturfestigkeit am Druckbehälterkopf vorhanden sein. Allerdings ist es ohne Erhöhung der Steuerstäbe erforderlich, die Konzentration chemischer kompensierender Toxine (wie Borsäure) zu erhöhen, um die verbleibende Reaktivität auszugleichen. In diesem Fall kann es leicht passieren, dass die Borkonzentration den Schwellenwert überschreitet und der Temperaturkoeffizient des Moderators positiv wird.

Um die oben genannten Probleme zu vermeiden, kann im Allgemeinen eine Kombination aus brennbaren Toxinen, Steuerstäben und einer chemischen Kompensationssteuerung zur Steuerung verwendet werden.

(2) Als Dotierstoff zur Verbesserung der Leistung von Reaktorstrukturmaterialien

Reaktoren erfordern eine gewisse Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe thermische Stabilität von Strukturbauteilen und Brennelementen und verhindern gleichzeitig, dass Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen.

1) .Seltenerdstahl

Der Kernreaktor unterliegt extremen physikalischen und chemischen Bedingungen und jede Komponente des Reaktors stellt auch hohe Anforderungen an den verwendeten Spezialstahl. Seltenerdelemente haben besondere modifizierende Wirkungen auf Stahl, hauptsächlich einschließlich Reinigung, Metamorphose, Mikrolegierung und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Stähle, die seltene Erden enthalten, werden auch häufig in Kernreaktoren verwendet.

① Reinigungswirkung: Bestehende Untersuchungen haben gezeigt, dass seltene Erden bei hohen Temperaturen eine gute Reinigungswirkung auf geschmolzenen Stahl haben. Denn seltene Erden können mit schädlichen Elementen wie Sauerstoff und Schwefel in der Stahlschmelze reagieren und Hochtemperaturverbindungen bilden. Die Hochtemperaturverbindungen können ausgefällt und in Form von Einschlüssen ausgetragen werden, bevor die Stahlschmelze kondensiert, wodurch der Verunreinigungsgehalt in der Stahlschmelze verringert wird.

② Metamorphose: Andererseits können die Oxide, Sulfide oder Oxysulfide, die durch die Reaktion von seltenen Erden in der Stahlschmelze mit schädlichen Elementen wie Sauerstoff und Schwefel entstehen, teilweise in der Stahlschmelze zurückgehalten werden und zu Einschlüssen von Stahl mit hohem Schmelzpunkt werden . Diese Einschlüsse können als heterogene Keimbildungszentren während der Erstarrung der Stahlschmelze genutzt werden und so die Form und Struktur des Stahls verbessern.

③ Mikrolegierung: Wenn die Zugabe von Seltenen Erden weiter erhöht wird, werden die verbleibenden Seltenen Erden im Stahl aufgelöst, nachdem die oben genannte Reinigung und Metamorphose abgeschlossen ist. Da der Atomradius seltener Erden größer ist als der von Eisenatomen, weisen seltene Erden eine höhere Oberflächenaktivität auf. Während des Erstarrungsprozesses von geschmolzenem Stahl reichern sich Seltenerdelemente an der Korngrenze an, wodurch die Entmischung von Verunreinigungselementen an der Korngrenze besser verringert werden kann, wodurch die feste Lösung gestärkt wird und die Rolle der Mikrolegierung spielt. Andererseits können seltene Erden aufgrund ihrer Wasserstoffspeichereigenschaften Wasserstoff in Stahl absorbieren und so das Phänomen der Wasserstoffversprödung von Stahl wirksam verbessern.

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

2). Wichtige Patentstudie

Schlüsselpatent: Erfindungspatent eines durch Oxiddispersion verstärkten Stahls mit geringer Aktivierung und seiner Herstellungsmethode durch das Institut für Metalle der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Patentzusammenfassung: Bereitgestellt wird ein oxiddispersionsverstärkter Stahl mit niedriger Aktivierung, der für Fusionsreaktoren geeignet ist, und sein Herstellungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozentsatz der Legierungselemente in der Gesamtmasse des Stahls mit niedriger Aktivierung beträgt: Die Matrix ist 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 % und 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.

Herstellungsprozess: Schmelzen der Fe-Cr-WV-Ta-Mn-Mutterlegierung, Pulverzerstäubung, Hochenergie-Kugelmahlen der Mutterlegierung undY2O3-NanopartikelMischpulver, Pulverumhüllungsextraktion, Verfestigungsformen, Warmwalzen und Wärmebehandlung.

Methode zur Zugabe seltener Erden: Zugabe im NanomaßstabY2O3Partikel zum zerstäubten Pulver der Grundlegierung für Hochenergie-Kugelmahlen, wobei das Kugelmahlmedium aus gemischten harten Stahlkugeln mit einem Durchmesser von Φ 6 und Φ 10 besteht, mit einer Kugelmahlatmosphäre aus 99,99 % Argongas, einem Massenverhältnis des Kugelmaterials von (8- 10): 1, eine Kugelmahlzeit von 40–70 Stunden und eine Rotationsgeschwindigkeit von 350–500 U/min.

3）.Wird zur Herstellung von Materialien zum Schutz vor Neutronenstrahlung verwendet

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 entspricht. Sein Radius beträgt ungefähr 0,8 × 10-15 m, ähnlich groß wie ein Proton, ähnlich wie γ-Strahlen, die gleichermaßen ungeladen sind. Wenn Neutronen mit Materie interagieren, interagieren sie hauptsächlich mit den Kernkräften im Inneren des Kerns und nicht mit den Elektronen in der äußeren Hülle.

Mit der rasanten Entwicklung der Kernenergie und der Kernreaktortechnologie wird der nuklearen Strahlensicherheit und dem nuklearen Strahlenschutz immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Um den Strahlenschutz für Bediener zu stärken, die sich seit langem mit der Wartung von Strahlengeräten und der Unfallrettung befassen, ist die Entwicklung leichter Abschirmverbundstoffe für Schutzkleidung von großer wissenschaftlicher Bedeutung und wirtschaftlichem Wert. Neutronenstrahlung ist der wichtigste Teil der Kernreaktorstrahlung. Im Allgemeinen wurden die meisten Neutronen, die in direktem Kontakt mit Menschen stehen, aufgrund der neutronenabschirmenden Wirkung der Strukturmaterialien im Kernreaktor zu Neutronen niedriger Energie verlangsamt. Neutronen mit niedriger Energie kollidieren elastisch mit Kernen mit niedrigerer Ordnungszahl und werden weiterhin moderiert. Die moderierten thermischen Neutronen werden von Elementen mit größeren Neutronenabsorptionsquerschnitten absorbiert und schließlich wird eine Neutronenabschirmung erreicht.

② Schlüsselpatentstudie

Die porösen und organisch-anorganischen Hybrideigenschaften vonSeltenerdelementGadoliniumMetallorganische Skelettmaterialien auf Basis von Metallen erhöhen ihre Kompatibilität mit Polyethylen und begünstigen so einen höheren Gadoliniumgehalt und eine höhere Gadoliniumdispersion der synthetisierten Verbundmaterialien. Der hohe Gadoliniumgehalt und die hohe Dispersion wirken sich direkt auf die Neutronenabschirmleistung der Verbundwerkstoffe aus.

Schlüsselpatent: Hefei-Institut für Materialwissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Erfindungspatent für ein organisches Gerüstverbund-Abschirmmaterial auf Gadoliniumbasis und dessen Herstellungsverfahren

Patentzusammenfassung: Das auf Gadolinium basierende metallorganische Skelett-Verbundmaterial ist ein Verbundmaterial, das durch Mischen entstehtGadoliniumEin metallorganisches Gerüstmaterial basiert auf Polyethylen im Gewichtsverhältnis 2:1:10 und wird durch Lösungsmittelverdampfung oder Heißpressen geformt. Auf Gadolinium basierende metallorganische Skelett-Verbundmaterialien weisen eine hohe thermische Stabilität und Abschirmfähigkeit gegenüber thermischen Neutronen auf.

Herstellungsprozess: Auswahl unterschiedlichGadoliniummetallSalze und organische Liganden zur Herstellung und Synthese verschiedener Arten von metallorganischen Gerüstmaterialien auf Gadoliniumbasis, Waschen mit kleinen Molekülen Methanol, Ethanol oder Wasser durch Zentrifugieren und Aktivieren bei hoher Temperatur unter Vakuumbedingungen, um die restlichen nicht umgesetzten Rohstoffe vollständig zu entfernen in den Poren der metallorganischen Gerüstmaterialien auf Gadoliniumbasis; Das in Schritt hergestellte metallorganische Gerüstmaterial auf Gadoliniumbasis wird mit Polyethylenlotion bei hoher Geschwindigkeit oder Ultraschall gerührt, oder das in Schritt hergestellte metallorganische Gerüstmaterial auf Gadoliniumbasis wird bei hoher Temperatur mit Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht schmelzgemischt, bis es vollständig vermischt ist. Geben Sie das gleichmäßig gemischte Gemisch aus metallorganischem Skelettmaterial auf Gadoliniumbasis und Polyethylen in die Form und erhalten Sie das gebildete Verbundabschirmungsmaterial mit metallorganischem Skelett auf Gadoliniumbasis durch Trocknen, um die Lösungsmittelverdampfung zu fördern, oder durch Heißpressen. Das hergestellte metallorganische Skelett-Verbundabschirmungsmaterial auf Gadoliniumbasis weist im Vergleich zu reinen Polyethylenmaterialien eine deutlich verbesserte Hitzebeständigkeit, mechanische Eigenschaften und eine überlegene Fähigkeit zur Abschirmung thermischer Neutronen auf.

Seltenerd-Additionsmodus: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 oder Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 poröses kristallines Koordinationspolymer mit Gadolinium, das durch Koordinationspolymerisation von erhalten wirdGd (NO3) 3 • 6H2O oder GdCl3 • 6H2Ound organischer Carboxylatligand; Die Größe des metallorganischen Gerüstmaterials auf Gadoliniumbasis beträgt 50 nm bis 2 μm. Gadoliniumbasierte metallorganische Gerüstmaterialien haben unterschiedliche Morphologien, einschließlich körniger, stabförmiger oder nadelförmiger Formen.

(4) Anwendung vonScandiumin Radiochemie und Nuklearindustrie

Scandiummetall verfügt über eine gute thermische Stabilität und eine starke Fluorabsorptionsleistung, was es zu einem unverzichtbaren Material in der Atomenergieindustrie macht.

Schlüsselpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, Erfindungspatent für eine Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierung und deren Herstellungsverfahren

Patentzusammenfassung: Ein Aluminium-ZinkMagnesium-Scandium-Legierungund seine Zubereitungsmethode. Die chemische Zusammensetzung und der Gewichtsanteil der Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierung sind: 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 %, Fe ≤ 0,4 %, andere Verunreinigungen einzeln ≤ 0,05 %, sonstige Verunreinigungen betragen insgesamt ≤ 0,15 %, der Rest ist Al. Die Mikrostruktur dieses Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierungsmaterials ist gleichmäßig und seine Leistung ist stabil, mit einer Zugfestigkeit von über 400 MPa, einer Streckgrenze von über 350 MPa und einer Zugfestigkeit von über 370 MPa für Schweißverbindungen. Die Materialprodukte können als Strukturelemente in der Luft- und Raumfahrt, der Nuklearindustrie, im Transportwesen, bei Sportartikeln, Waffen und anderen Bereichen eingesetzt werden.

Herstellungsverfahren: Schritt 1, Zutat entsprechend der oben genannten Legierungszusammensetzung; Schritt 2: Im Schmelzofen bei einer Temperatur von 700 °C bis 780 °C schmelzen; Schritt 3: Raffinieren Sie die vollständig geschmolzene Metallflüssigkeit und halten Sie die Metalltemperatur während des Raffinierens im Bereich von 700 °C bis 750 °C. Schritt 4: Nach dem Raffinieren sollte es vollständig stehen bleiben; Schritt 5: Beginnen Sie nach dem vollständigen Stehen mit dem Gießen, halten Sie die Ofentemperatur im Bereich von 690 °C bis 730 °C und die Gießgeschwindigkeit beträgt 15–200 mm/Minute. Schritt 6: Führen Sie eine Homogenisierungsglühbehandlung des Legierungsbarrens im Heizofen mit einer Homogenisierungstemperatur von 400 °C bis 470 °C durch. Schritt 7: Schälen Sie den homogenisierten Barren und führen Sie eine Heißextrusion durch, um Profile mit einer Wandstärke von über 2,0 mm herzustellen. Während des Extrusionsprozesses sollte der Barren auf einer Temperatur von 350 °C bis 410 °C gehalten werden; Schritt 8: Drücken Sie das Profil für die Lösungsabschreckbehandlung bei einer Lösungstemperatur von 460–480 °C zusammen. Schritt 9: Nach 72 Stunden Abschrecken in fester Lösung erzwingen Sie manuell die Alterung. Das manuelle Kraftalterungssystem ist: 90–110 ℃/24 Stunden + 170–180 ℃/5 Stunden oder 90–110 ℃/24 Stunden + 145–155 ℃/10 Stunden.

5、 Forschungszusammenfassung

Insgesamt werden seltene Erden häufig in der Kernfusion und Kernspaltung eingesetzt und verfügen über zahlreiche Patente in technischen Bereichen wie Röntgenanregung, Plasmabildung, Leichtwasserreaktor, Transuran, Uranyl und Oxidpulver. Als Reaktormaterialien können seltene Erden als Reaktorstrukturmaterialien und zugehörige keramische Isoliermaterialien, Kontrollmaterialien und Neutronenstrahlungsschutzmaterialien verwendet werden.