Applikazzjoni ta' Elementi Rari tad-Dinja f'Materjali Nukleari

1. Definizzjoni ta' Materjali Nukleari

F'sens wiesa', materjal nukleari huwa t-terminu ġenerali għal materjali użati esklussivament fl-industrija nukleari u fir-riċerka xjentifika nukleari, inkluż fjuwil nukleari u materjali tal-inġinerija nukleari, jiġifieri materjali mhux fjuwil nukleari.

Il-materjali nukleari li ġeneralment jissejħu jirreferu prinċipalment għal materjali użati f'diversi partijiet tar-reattur, magħrufa wkoll bħala materjali tar-reattur. Il-materjali tar-reattur jinkludu fjuwil nukleari li jgħaddi minn fissjoni nukleari taħt bumbardament tan-newtroni, materjali tal-kisi għal komponenti tal-fjuwil nukleari, likwidi li jkessħu, moderaturi tan-newtroni (moderaturi), materjali tal-vireg tal-kontroll li jassorbu bil-qawwa n-newtroni, u materjali riflettivi li jipprevjenu t-tnixxija tan-newtroni barra r-reattur.

2. Relazzjoni ko-assoċjata bejn riżorsi rari tad-dinja u riżorsi nukleari

Il-monażit, imsejjaħ ukoll fosfoċerit u fosfoċerit, huwa minerali aċċessorju komuni fil-blat igneju ta' aċidu intermedju u l-blat metamorfiku. Il-monażit huwa wieħed mill-minerali ewlenin tal-metalli rari tad-dinja, u jeżisti wkoll f'xi blat sedimentarju. Aħmar kannella, isfar, xi kultant isfar kannella, b'tleqqija żejtnija, qsim sħiħ, ebusija Mohs ta' 5-5.5, u gravità speċifika ta' 4.9-5.5.

Il-minerali ewlieni ta' xi depożiti ta' ħamrija rari tat-tip placer fiċ-Ċina huwa l-monazite, li jinsab l-aktar f'Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, u He County, Guangxi. Madankollu, l-estrazzjoni ta' riżorsi ta' ħamrija rari tat-tip placer ħafna drabi ma jkollhiex sinifikat ekonomiku. Ġebel solitarju ħafna drabi jkun fih elementi riflessivi tat-torju u huwa wkoll is-sors ewlieni ta' plutonju kummerċjali.

3. Ħarsa ġenerali lejn l-applikazzjoni tad-dinja rari fil-fużjoni nukleari u l-fissjoni nukleari bbażata fuq analiżi panoramika tal-brevetti

Wara li l-kliem kjavi tal-elementi tat-tiftix tad-dinja rari jkunu espansi għalkollox, dawn jiġu kkombinati maċ-ċwievet tal-espansjoni u n-numri tal-klassifikazzjoni tal-fissjoni nukleari u l-fużjoni nukleari, u jiġu mfittxija fid-database Incopt. Id-data tat-tiftix hija l-24 ta' Awwissu 2020. 4837 brevett inkisbu wara għaqda sempliċi tal-familja, u 4673 brevett ġew determinati wara tnaqqis artifiċjali tal-istorbju.

L-applikazzjonijiet għal privattivi tad-dinja rari fil-qasam tal-fissjoni nukleari jew tal-fużjoni nukleari huma mqassma f'56 pajjiż/reġjun, prinċipalment ikkonċentrati fil-Ġappun, iċ-Ċina, l-Istati Uniti, il-Ġermanja u r-Russja, eċċ. Numru konsiderevoli ta' privattivi huma applikati fil-forma ta' PCT, li minnhom l-applikazzjonijiet għat-teknoloġija tal-privattivi Ċiniżi ilhom jiżdiedu, speċjalment mill-2009, u daħlu fi stadju ta' tkabbir mgħaġġel, u l-Ġappun, l-Istati Uniti u r-Russja komplew jiżviluppaw f'dan il-qasam għal ħafna snin (Figura 1).

Figura 1 Xejra tal-applikazzjoni tal-brevetti tat-teknoloġija relatati mal-applikazzjoni tad-dinja rari fil-fissjoni nukleari u l-fużjoni nukleari f'pajjiżi/reġjuni

Mill-analiżi tat-temi tekniċi jidher li l-applikazzjoni tad-dinja rari fil-fużjoni nukleari u l-fissjoni nukleari tiffoka fuq elementi tal-fjuwil, xintillaturi, ditekters tar-radjazzjoni, aktinidi, plażmi, reatturi nukleari, materjali ta' lqugħ, assorbiment tan-newtroni u direzzjonijiet tekniċi oħra.

4. Applikazzjonijiet Speċifiċi u Riċerka Ewlenija dwar il-Brevetti ta' Elementi Rari tad-Dinja f'Materjali Nukleari

Fost dawn, ir-reazzjonijiet tal-fużjoni nukleari u tal-fissjoni nukleari f'materjali nukleari huma intensi, u r-rekwiżiti għall-materjali huma stretti. Fil-preżent, ir-reatturi tal-enerġija huma prinċipalment reatturi tal-fissjoni nukleari, u r-reatturi tal-fużjoni jistgħu jsiru popolari fuq skala kbira wara 50 sena. L-applikazzjoni ta'art rarielementi f'materjali strutturali tar-reattur; F'oqsma kimiċi nukleari speċifiċi, elementi rari tad-dinja jintużaw prinċipalment fil-vireg tal-kontroll; Barra minn hekk,skandjuintuża wkoll fir-radjokimika u fl-industrija nukleari.

(1) Bħala velenu kombustibbli jew virga ta' kontroll biex taġġusta l-livell tan-newtroni u l-istat kritiku tar-reattur nukleari

Fir-reatturi tal-enerġija, ir-reattività residwa inizjali ta' qlub ġodda ġeneralment hija relattivament għolja. Speċjalment fl-istadji bikrija tal-ewwel ċiklu ta' riforniment, meta l-fjuwil nukleari kollu fil-qalba jkun ġdid, ir-reattività li jifdal hija l-ogħla. F'dan il-punt, jekk wieħed jiddependi biss fuq iż-żieda fil-vireg tal-kontroll biex jikkumpensa għar-reattività residwa, dan jintroduċi aktar vireg tal-kontroll. Kull virga tal-kontroll (jew mazz ta' vireg) tikkorrispondi għall-introduzzjoni ta' mekkaniżmu kumpless tas-sewqan. Minn naħa waħda, dan iżid l-ispejjeż, u min-naħa l-oħra, il-ftuħ ta' toqob fir-ras tal-kontenitur tal-pressjoni jista' jwassal għal tnaqqis fis-saħħa strutturali. Mhux biss mhuwiex ekonomiku, iżda lanqas mhu permess li jkun hemm ċertu ammont ta' porożità u saħħa strutturali fuq ir-ras tal-kontenitur tal-pressjoni. Madankollu, mingħajr ma jiżdiedu l-vireg tal-kontroll, huwa meħtieġ li tiżdied il-konċentrazzjoni ta' tossini kimiċi li jikkumpensaw (bħall-aċidu boriku) biex tikkumpensa għar-reattività li jifdal. F'dan il-każ, huwa faċli li l-konċentrazzjoni tal-boron taqbeż il-limitu, u l-koeffiċjent tat-temperatura tal-moderatur isir pożittiv.

Biex jiġu evitati l-problemi msemmija hawn fuq, ġeneralment tista' tintuża taħlita ta' tossini kombustibbli, vireg tal-kontroll, u kontroll tal-kumpens kimiku għall-kontroll.

(2) Bħala dopant biex tittejjeb il-prestazzjoni tal-materjali strutturali tar-reattur

Ir-reatturi jeħtieġu li l-komponenti strutturali u l-elementi tal-fjuwil ikollhom ċertu livell ta’ saħħa, reżistenza għall-korrużjoni, u stabbiltà termali għolja, filwaqt li jipprevjenu wkoll li l-prodotti tal-fissjoni jidħlu fil-likwidu li jkessaħ.

1). Azzar rari tad-dinja

Ir-reattur nukleari għandu kundizzjonijiet fiżiċi u kimiċi estremi, u kull komponent tar-reattur għandu wkoll rekwiżiti għoljin għall-azzar speċjali użat. L-elementi rari tad-dinja għandhom effetti ta' modifika speċjali fuq l-azzar, inklużi prinċipalment il-purifikazzjoni, il-metamorfiżmu, il-mikroliga, u t-titjib tar-reżistenza għall-korrużjoni. L-azzar li fih elementi rari tad-dinja jintuża wkoll ħafna fir-reatturi nukleari.

① Effett ta' purifikazzjoni: Ir-riċerka eżistenti wriet li l-elementi rari tad-dinja għandhom effett ta' purifikazzjoni tajjeb fuq l-azzar imdewweb f'temperaturi għoljin. Dan għaliex l-elementi rari tad-dinja jistgħu jirreaġixxu ma' elementi ta' ħsara bħall-ossiġnu u l-kubrit fl-azzar imdewweb biex jiġġeneraw komposti f'temperatura għolja. Il-komposti f'temperatura għolja jistgħu jiġu preċipitati u skarikati fil-forma ta' inklużjonijiet qabel ma l-azzar imdewweb jikkondensa, u b'hekk jitnaqqas il-kontenut ta' impurità fl-azzar imdewweb.

② Metamorfiżmu: min-naħa l-oħra, l-ossidi, is-sulfidi jew l-ossisulfidi ġġenerati mir-reazzjoni tad-dinja rari fl-azzar imdewweb ma' elementi ta' ħsara bħall-ossiġnu u l-kubrit jistgħu jinżammu parzjalment fl-azzar imdewweb u jsiru inklużjonijiet tal-azzar b'punt ta' tidwib għoli. Dawn l-inklużjonijiet jistgħu jintużaw bħala ċentri ta' nukleazzjoni eteroġenji waqt is-solidifikazzjoni tal-azzar imdewweb, u b'hekk itejbu l-forma u l-istruttura tal-azzar.

③ Mikroliga: jekk iż-żieda ta' elementi rari tad-dinja tiżdied aktar, l-elementi rari tad-dinja li jifdal jinħallu fl-azzar wara li jitlestew il-purifikazzjoni u l-metamorfiżmu msemmija hawn fuq. Peress li r-raġġ atomiku tal-elementi rari tad-dinja huwa akbar minn dak tal-atomu tal-ħadid, l-elementi rari tad-dinja għandhom attività tal-wiċċ ogħla. Matul il-proċess ta' solidifikazzjoni tal-azzar imdewweb, l-elementi rari tad-dinja huma arrikkiti fil-konfini tal-qamħ, li jistgħu jnaqqsu aħjar is-segregazzjoni tal-elementi ta' impurità fil-konfini tal-qamħ, u b'hekk isaħħu s-soluzzjoni solida u għandhom ir-rwol ta' mikroliga. Min-naħa l-oħra, minħabba l-karatteristiċi tal-ħażna tal-idroġenu tal-elementi rari tad-dinja, jistgħu jassorbu l-idroġenu fl-azzar, u b'hekk itejbu b'mod effettiv il-fenomenu tal-fraġilità tal-idroġenu tal-azzar.

④ Titjib fir-reżistenza għall-korrużjoni: Iż-żieda ta' elementi rari tad-dinja tista' wkoll ittejjeb ir-reżistenza għall-korrużjoni tal-azzar. Dan għaliex l-elementi rari tad-dinja għandhom potenzjal ogħla ta' awtokorrużjoni mill-azzar inossidabbli. Għalhekk, iż-żieda ta' elementi rari tad-dinja tista' żżid il-potenzjal ta' awtokorrużjoni tal-azzar inossidabbli, u b'hekk ittejjeb l-istabbiltà tal-azzar f'mezzi korrużivi.

2). Studju Ewlieni dwar il-Brevetti

Privattiva ewlenija: privattiva ta' invenzjoni ta' azzar b'attivazzjoni baxxa msaħħaħ b'dispersjoni ta' ossidu u l-metodu ta' preparazzjoni tiegħu mill-Istitut tal-Metalli, Akkademja Ċiniża tax-Xjenzi

Astratt tal-brevett: Huwa pprovdut azzar b'attivazzjoni baxxa msaħħaħ b'dispersjoni ta' ossidu adattat għal reatturi tal-fużjoni u l-metodu ta' preparazzjoni tiegħu, ikkaratterizzat f'dak li l-perċentwal ta' elementi tal-liga fil-massa totali tal-azzar b'attivazzjoni baxxa huwa: il-matriċi hija 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%, u 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

Proċess ta' manifattura: Tidwib tal-liga omm Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizzazzjoni tat-trab, tħin tal-ballun b'enerġija għolja tal-liga omm uNanopartiċella Y2O3trab imħallat, estrazzjoni li tgħatti t-trab, iffurmar tas-solidifikazzjoni, irrumblar bis-sħana, u trattament bis-sħana.

Metodu ta' żieda ta' elementi rari: Żid skala nanometrikaY2O3partiċelli mat-trab atomizzat tal-liga prinċipali għat-tħin tal-ballun b'enerġija għolja, bil-mezz tat-tħin tal-ballun ikun Φ 6 u Φ 10 blalen tal-azzar iebes imħallta, b'atmosfera ta' tħin tal-ballun ta' 99.99% gass argon, proporzjon tal-massa tal-materjal tal-ballun ta' (8-10): 1, ħin ta' tħin tal-ballun ta' 40-70 siegħa, u veloċità rotazzjonali ta' 350-500 r/min.

3）.Użat biex jagħmel materjali għall-protezzjoni mir-radjazzjoni tan-newtroni

① Prinċipju tal-protezzjoni mir-radjazzjoni tan-newtroni

In-newtroni huma komponenti tan-nuklei atomiċi, b'massa statika ta' 1.675 × 10⁻²⁷kg, li hija 1838 darba l-massa elettronika. Ir-raġġ tiegħu huwa ta' madwar 0.8 × 10⁻¹⁵m, simili fid-daqs għal proton, simili għal γ. Ir-raġġi huma ugwalment mhux iċċarġjati. Meta n-newtroni jinteraġixxu mal-materja, huma jinteraġixxu prinċipalment mal-forzi nukleari ġewwa n-nukleu, u ma jinteraġixxux mal-elettroni fil-qoxra ta' barra.

Bl-iżvilupp mgħaġġel tal-enerġija nukleari u t-teknoloġija tar-reatturi nukleari, qed tingħata aktar u aktar attenzjoni lis-sikurezza mir-radjazzjoni nukleari u l-protezzjoni mir-radjazzjoni nukleari. Sabiex tissaħħaħ il-protezzjoni mir-radjazzjoni għall-operaturi li ilhom involuti fil-manutenzjoni tat-tagħmir tar-radjazzjoni u s-salvataġġ f'każ ta' inċidenti għal żmien twil, huwa ta' sinifikat xjentifiku kbir u valur ekonomiku li jiġu żviluppati kompożiti ħfief ta' lqugħ għal ilbies protettiv. Ir-radjazzjoni tan-newtroni hija l-aktar parti importanti mir-radjazzjoni tar-reatturi nukleari. Ġeneralment, il-biċċa l-kbira tan-newtroni f'kuntatt dirett mal-bnedmin ġew imnaqqsa għal newtroni ta' enerġija baxxa wara l-effett ta' lqugħ tan-newtroni tal-materjali strutturali ġewwa r-reattur nukleari. In-newtroni ta' enerġija baxxa se jaħbtu ma' nuklei b'numru atomiku aktar baxx b'mod elastiku u jkomplu jiġu moderati. In-newtroni termali moderati se jiġu assorbiti minn elementi b'sezzjonijiet trasversali ta' assorbiment tan-newtroni akbar, u fl-aħħar jinkiseb lqugħ tan-newtroni.

② Studju Ewlieni dwar il-Privattivi

Il-proprjetajiet ibridi porużi u organiċi-inorganiċi ta'element rari tad-dinjagadolinjuMaterjali skeletriċi organiċi bbażati fuq il-metall iżidu l-kompatibilità tagħhom mal-polietilene, u b'hekk jippromwovu l-materjali komposti sintetizzati li jkollhom kontenut ogħla ta' gadolinju u dispersjoni tal-gadolinju. Il-kontenut għoli u d-dispersjoni tal-gadolinju jaffettwaw direttament il-prestazzjoni tal-ilqugħ tan-newtroni tal-materjali komposti.

Privattiva ewlenija: L-Istitut tax-Xjenza tal-Materjali ta' Hefei, l-Akkademja Ċiniża tax-Xjenzi, privattiva tal-invenzjoni ta' materjal ta' lqugħ kompost b'qafas organiku bbażat fuq il-gadolinju u l-metodu ta' preparazzjoni tiegħu

Astratt tal-Privattiva: Materjal ta' lqugħ kompost ta' skeletru organiku tal-metall ibbażat fuq il-gadolinju huwa materjal kompost iffurmat bit-taħlitgadolinjuMaterjal ta' skeletru organiku bbażat fuq il-metall bil-polietilen fi proporzjon ta' piż ta' 2:1:10 u ffurmat permezz ta' evaporazzjoni tas-solvent jew ippressar bis-sħana. Materjali ta' lqugħ komposti ta' skeletru organiku bbażat fuq il-metall ibbażat fuq il-gadolinju għandhom stabbiltà termali għolja u kapaċità ta' lqugħ kontra n-newtroni termali.

Proċess ta' manifattura: għażla ta' differentimetall tal-gadolinjumelħ u ligandi organiċi biex jippreparaw u jissintetizzaw tipi differenti ta' materjali skeletriċi organiċi tal-metall ibbażati fuq il-gadolinju, jaħsluhom b'molekuli żgħar ta' metanol, etanol, jew ilma permezz ta' ċentrifugazzjoni, u jattivawhom f'temperatura għolja taħt kundizzjonijiet ta' vakwu biex jitneħħew kompletament il-materja prima residwa mhux irreaġixxuta fil-pori tal-materjali skeletriċi organiċi tal-metall ibbażati fuq il-gadolinju; Il-materjal skeletriċi organometalliku bbażat fuq il-gadolinju ppreparat fil-pass jitħawwad ma' lotion tal-polietilene b'veloċità għolja, jew ultrasonikament, jew il-materjal skeletriċi organometalliku bbażat fuq il-gadolinju ppreparat fil-pass jitħallat b'mod imdewweb ma' polietilene ta' piż molekulari ultra-għoli f'temperatura għolja sakemm jitħallat kompletament; Poġġi t-taħlita uniformi ta' materjal skeletriċi organiku tal-metall ibbażat fuq il-gadolinju/polietilene fil-moffa, u ikseb il-materjal ta' lqugħ kompost ta' skeletriċi organiċi tal-metall ibbażat fuq il-gadolinju ffurmat billi tnixxef biex tippromwovi l-evaporazzjoni tas-solvent jew ippressar bis-sħana; Il-materjal ta' lqugħ kompost ta' skeletriċi organiċi tal-metall ibbażat fuq il-gadolinju ppreparat għandu reżistenza għas-sħana, proprjetajiet mekkaniċi, u kapaċità ta' lqugħ newtroniku termali superjuri mtejba b'mod sinifikanti meta mqabbel ma' materjali tal-polietilene puri.

Mod ta' żieda ta' elementi rari tad-dinja: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 jew Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimeru ta' koordinazzjoni kristallina poruża li fiha l-gadolinju, li jinkiseb permezz tal-polimerizzazzjoni ta' koordinazzjoni ta'Gd (NO3) 3 • 6H2O jew GdCl3 • 6H2Ou ligand karbossilat organiku; Id-daqs tal-materjal skeletru organiku tal-metall ibbażat fuq il-gadolinju huwa 50nm-2 μm； Il-materjali skeletru organiċi tal-metall ibbażati fuq il-gadolinju għandhom morfoloġiji differenti, inklużi forom granulari, forma ta' virga, jew forma ta' labra.

(4) Applikazzjoni ta'Skandjufir-Radjokimika u l-industrija nukleari

Il-metall skandju għandu stabbiltà termali tajba u prestazzjoni qawwija ta' assorbiment tal-fluworin, li jagħmilha materjal indispensabbli fl-industrija tal-enerġija atomika.

Privattiva ewlenija: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautic Materials, privattiva ta' invenzjoni għal liga tal-aluminju, żingu, manjesju, skandju u l-metodu ta' preparazzjoni tagħha

Astratt tal-brevett: Żingu tal-aluminjuliga tal-manjeżju skandjuu l-metodu ta' preparazzjoni tiegħu. Il-kompożizzjoni kimika u l-perċentwal tal-piż tal-liga tal-aluminju-żingu-manjeżju-skandju huma: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impuritajiet Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, impuritajiet oħra singoli ≤ 0.05%, impuritajiet oħra totali ≤ 0.15%, u l-ammont li jifdal huwa Al. Il-mikrostruttura ta' dan il-materjal tal-liga tal-aluminju-żingu-manjeżju-skandju hija uniformi u l-prestazzjoni tagħha hija stabbli, b'saħħa tensili aħħarija ta' aktar minn 400MPa, saħħa ta' rendiment ta' aktar minn 350MPa, u saħħa tensili ta' aktar minn 370MPa għal ġonot iwweldjati. Il-prodotti tal-materjal jistgħu jintużaw bħala elementi strutturali fl-ajruspazju, l-industrija nukleari, it-trasport, oġġetti sportivi, armi u oqsma oħra.

Proċess ta' manifattura: Pass 1, ingredjent skont il-kompożizzjoni tal-liga ta' hawn fuq; Pass 2: Dewweb fil-forn tat-tidwib f'temperatura ta' 700 ℃ ~ 780 ℃; Pass 3: Irfina l-likwidu tal-metall imdewweb kompletament, u żomm it-temperatura tal-metall fil-medda ta' 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​waqt ir-raffinar; Pass 4: Wara r-raffinar, għandu jitħalla wieqaf kompletament; Pass 5: Wara li jkun wieqaf kompletament, ibda l-ikkastjar, żomm it-temperatura tal-forn fil-medda ta' 690 ℃ ~ 730 ℃, u l-veloċità tal-ikkastjar hija 15-200mm/minuta; Pass 6: Wettaq trattament ta' omoġenizzazzjoni fuq l-ingott tal-liga fil-forn tat-tisħin, b'temperatura ta' omoġenizzazzjoni ta' 400 ℃ ~ 470 ℃; Pass 7: Qaxxar l-ingott omoġenizzat u wettaq estrużjoni sħuna biex tipproduċi profili bi ħxuna tal-ħajt ta' aktar minn 2.0mm. Matul il-proċess ta' estrużjoni, il-billetta għandha tinżamm f'temperatura ta' 350 ℃ sa 410 ℃; Pass 8: Agħfas il-profil għat-trattament ta' tifi tas-soluzzjoni, b'temperatura tas-soluzzjoni ta' 460-480 ℃; Pass 9: Wara 72 siegħa ta' tifi tas-soluzzjoni solida, iġiegħel it-tixjiħ bil-forza manwali. Is-sistema ta' tixjiħ bil-forza manwali hija: 90~110 ℃/24 siegħa+170~180 ℃/5 sigħat, jew 90~110 ℃/24 siegħa+145~155 ℃/10 sigħat.

5. Sommarju tar-Riċerka

B'mod ġenerali, l-elementi rari tad-dinja jintużaw ħafna fil-fużjoni nukleari u l-fissjoni nukleari, u għandhom ħafna disinji ta' brevetti f'direzzjonijiet tekniċi bħall-eċitazzjoni bir-raġġi-X, il-formazzjoni tal-plażma, ir-reattur tal-ilma ħafif, it-transuranju, l-uranil u t-trab tal-ossidu. Fir-rigward tal-materjali tar-reatturi, l-elementi rari tad-dinja jistgħu jintużaw bħala materjali strutturali tar-reatturi u materjali ta' insulazzjoni taċ-ċeramika relatati, materjali ta' kontroll u materjali ta' protezzjoni mir-radjazzjoni tan-newtroni.