Aplicación de elementos de tierras raras en materiales nucleares

1 、 Definición de materiales nucleares

En un sentido amplio, el material nuclear es el término general para los materiales utilizados exclusivamente en la industria nuclear y la investigación científica nuclear, incluidos el combustible nuclear y los materiales de ingeniería nuclear, es decir, los materiales de combustible no nuclear.

Los comúnmente referidos a los materiales nucleares se refieren principalmente a los materiales utilizados en varias partes del reactor, también conocidos como materiales del reactor. Los materiales del reactor incluyen combustible nuclear que sufre fisión nuclear bajo bombardeo de neutrones, materiales de revestimiento para componentes de combustible nuclear, refrigerantes, moderadores de neutrones (moderadores), materiales de varilla de control que absorben fuertemente neutrones y materiales reflectantes que evitan la fuga de neutrones fuera del reactor.

2 、 CO Relación asociada entre recursos de tierras raras y recursos nucleares

La monazita, también llamada fosfocerita y fosfocerita, es un mineral accesorio común en la roca ígnea ácida intermedia y la roca metamórfica. La monazita es uno de los principales minerales del mineral de metal de tierras raras, y también existe en una roca sedimentaria. Rojo parduzco, amarillo, a veces amarillo parduzco, con un brillo grasiento, escisión completa, dureza de los MOHS de 5-5.5 y gravedad específica de 4.9-5.5.

El mineral de mineral principal de algunos depósitos de tierras raras de tipo placle en China es la monazita, principalmente ubicada en Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan y He County, Guangxi. Sin embargo, la extracción de recursos de tierras raras del tipo de placer a menudo no tiene importancia económica. Los cálculos solitarios a menudo contienen elementos reflexivos de torio y también son la fuente principal de plutonio comercial.

3 、 Descripción general de la aplicación de tierras raras en fusión nuclear y fisión nuclear basada en el análisis panorámico de patentes

Después de que las palabras clave de los elementos de búsqueda de tierras raras se expanden por completo, se combinan con las claves de expansión y los números de clasificación de fisión nuclear y fusión nuclear, y se buscan en la base de datos Incopt. La fecha de búsqueda es el 24 de agosto de 2020. 4837 Patentes se obtuvieron después de una fusión familiar simple, y 4673 patentes se determinaron después de la reducción de ruido artificial.

Las aplicaciones de patentes de tierras raras en el campo de la fisión nuclear o la fusión nuclear se distribuyen en 56 países/regiones, principalmente concentradas en Japón, China, Estados Unidos, Alemania y Rusia, etc. Un número considerable de patentes se aplican en forma de PCT, de los cuales las aplicaciones de tecnología de patentes chinas han aumentado, especialmente desde 2009, en una etapa de crecimiento rápido y Japón, los Estados Unidos y los Rusia han continuado en este campo en este campo para la figura (Figura (Figura (Figura 1.

Figura 1 Tendencia de aplicación de patentes tecnológicas relacionadas con la aplicación de tierras raras en fisión nuclear y fusión nuclear en países/regiones

Se puede ver en el análisis de temas técnicos que la aplicación de tierras raras en la fusión nuclear y la fisión nuclear se centra en elementos de combustible, centelleadores, detectores de radiación, actínidos, plasmas, reactores nucleares, materiales de protección, absorción de neutrones y otras direcciones técnicas.

4 、 Aplicaciones específicas e investigación de patentes clave de elementos de tierras raras en materiales nucleares

Entre ellos, las reacciones de fusión nuclear y fisión nuclear en materiales nucleares son intensas, y los requisitos para los materiales son estrictos. En la actualidad, los reactores de potencia son principalmente reactores de fisión nuclear, y los reactores de fusión pueden popularizarse a gran escala después de 50 años. La aplicación detierra raraelementos en materiales estructurales del reactor; En campos químicos nucleares específicos, los elementos de tierras raras se utilizan principalmente en las barras de control; Además,escandioTambién se ha utilizado en la industria de radioquímica y nuclear.

（1） como veneno o varilla de control combustible para ajustar el nivel de neutrones y el estado crítico del reactor nuclear

En los reactores de potencia, la reactividad residual inicial de los nuevos núcleos es generalmente relativamente alta. Especialmente en las primeras etapas del primer ciclo de reabastecimiento de combustible, cuando todo el combustible nuclear en el núcleo es nuevo, la reactividad restante es la más alta. En este punto, confiar únicamente en aumentar las barras de control para compensar la reactividad residual introduciría más varillas de control. Cada varilla de control (o paquete de varillas) corresponde a la introducción de un mecanismo de conducción complejo. Por un lado, esto aumenta los costos, y por otro lado, abrir agujeros en la cabeza del recipiente a presión puede conducir a una disminución de la resistencia estructural. No solo no es económico, sino que tampoco está permitido tener una cierta cantidad de porosidad y resistencia estructural en la cabeza del recipiente a presión. Sin embargo, sin aumentar las varillas de control, es necesario aumentar la concentración de toxinas compensadoras químicas (como el ácido bórico) para compensar la reactividad restante. En este caso, es fácil para la concentración de boro exceder el umbral, y el coeficiente de temperatura del moderador se volverá positivo.

Para evitar los problemas antes mencionados, generalmente se puede usar una combinación de toxinas combustibles, varillas de control y control de compensación química para el control.

（2） como un dopante para mejorar el rendimiento de los materiales estructurales del reactor

Los reactores requieren que los componentes estructurales y los elementos de combustible tengan un cierto nivel de resistencia, resistencia a la corrosión y alta estabilidad térmica, al tiempo que evitan que los productos de fisión ingresen al refrigerante.

1).

El reactor nuclear tiene condiciones físicas y químicas extremas, y cada componente del reactor también tiene altos requisitos para el acero especial utilizado. Los elementos de tierras raras tienen efectos de modificación especiales en el acero, principalmente incluyendo purificación, metamorfismo, microalloying y mejora de la resistencia a la corrosión. Los aceros que contienen tierras raras también se usan ampliamente en reactores nucleares.

① Efecto de purificación: la investigación existente ha demostrado que las tierras raras tienen un buen efecto de purificación sobre el acero fundido a altas temperaturas. Esto se debe a que las tierras raras pueden reaccionar con elementos dañinos como el oxígeno y el azufre en el acero fundido para generar compuestos de alta temperatura. Los compuestos de alta temperatura se pueden precipitar y descargar en forma de inclusiones antes de que el acero fundido se condene, reduciendo así el contenido de impureza en el acero fundido.

② Metamorfismo: por otro lado, los óxidos, sulfuros u oxisulfuros generados por la reacción de tierras raras en el acero fundido con elementos dañinos como el oxígeno y el azufre pueden retener parcialmente en el acero fundido y convertirse en inclusiones de acero con un alto punto de fusión. Estas inclusiones pueden usarse como centros de nucleación heterogéneos durante la solidificación del acero fundido, mejorando así la forma y la estructura del acero.

③ Microalloying: si la adición de tierras raras aumenta aún más, la tierra rara restante se disolverá en el acero después de la purificación y el metamorfismo anteriores. Dado que el radio atómico de la tierra rara es más grande que el del átomo de hierro, la tierra rara tiene una mayor actividad superficial. Durante el proceso de solidificación del acero fundido, los elementos de tierras raras se enriquecen en el límite de grano, lo que puede reducir mejor la segregación de los elementos de impureza en el límite de grano, fortaleciendo así la solución sólida y desempeñando el papel de la microalloying. Por otro lado, debido a las características de almacenamiento de hidrógeno de tierras raras, pueden absorber el hidrógeno en el acero, mejorando efectivamente el fenómeno del acero del fragilidad de hidrógeno.

④ Mejora de la resistencia a la corrosión: la adición de elementos de tierras raras también puede mejorar la resistencia a la corrosión del acero. Esto se debe a que las tierras raras tienen un mayor potencial de corrosión que el acero inoxidable. Por lo tanto, la adición de tierras raras puede aumentar el potencial de auto corrosión del acero inoxidable, mejorando así la estabilidad del acero en medios corrosivos.

2). Estudio de patente clave

Patente clave: la patente de invención de una dispersión de óxido fortaleció el acero de baja activación y su método de preparación por el Instituto de Metales, la Academia de Ciencias de China

Resumen de la patente: siempre se supone un acero de baja activación de óxido adecuado para los reactores de fusión y su método de preparación, caracterizado en el sentido de que el porcentaje de elementos de aleación en la masa total del acero de baja activación es: la matriz es Fe, 0.08% ≤ C ≤ 0.15%, 8.0% ≤ CR ≤ 10.0%, 1.1% ≤ 1.55%, 0.1% ≤ v ≤3. ≤ Ta ≤ 0.2%, 0.1 ≤ Mn ≤ 0.6%y 0.05%≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

Proceso de fabricación: fundición de aleación de aleación madre FE-CR-TA-MN, atomización de polvo, molienda de bola de alta energía de la aleación de la madre yNanopartícula Y2O3polvo mixto, extracción de envoltura de polvo, moldura de solidificación, rodamiento caliente y tratamiento térmico.

Método de adición de tierras raras: agregar nanoescalaY2O3Las partículas al polvo atomizado de la aleación padre para la molienda de bolas de alta energía, con el medio de molienda de bolas siendo φ 6 y φ 10 bolas de acero duro mixtas, con una atmósfera de molienda de bolas de 99.99% de gas argon, una relación de masa de material de bola de (8-10): 1, un tiempo de molienda de bolas de 40-70 horas y una velocidad de rotación de 350-500 R/min.

3）. Se usó para hacer materiales de protección contra radiación de neutrones

① Principio de protección contra radiación de neutrones

Los neutrones son componentes de los núcleos atómicos, con una masa estática de 1.675 × 10-27 kg, que es 1838 veces la masa electrónica. Su radio es aproximadamente 0.8 × 10-15m, de tamaño similar a un protón, similar a los rayos γ no se cargan igualmente. Cuando los neutrones interactúan con la materia, interactúan principalmente con las fuerzas nucleares dentro del núcleo, y no interactúan con los electrones en la cubierta externa.

Con el rápido desarrollo de la energía nuclear y la tecnología de reactores nucleares, se ha prestado cada vez más atención a la seguridad de la radiación nuclear y la protección de la radiación nuclear. Para fortalecer la protección de la radiación para los operadores que han participado en el mantenimiento de equipos de radiación y el rescate de accidentes durante mucho tiempo, es de gran importancia científica y valor económico desarrollar compuestos de protección ligeros para la ropa protectora. La radiación de neutrones es la parte más importante de la radiación del reactor nuclear. En general, la mayoría de los neutrones en contacto directo con seres humanos se han ralentizado a neutrones de baja energía después del efecto de protección de neutrones de los materiales estructurales dentro del reactor nuclear. Los neutrones de baja energía chocarán con núcleos con un número atómico más bajo elásticamente y continuarán moderándose. Los neutrones térmicos moderados serán absorbidos por elementos con secciones transversales de absorción de neutrones más grandes, y finalmente se lograrán protegido de neutrones.

② Estudio clave de patentes

Las propiedades híbridas porosas e orgánicas inorgánicas deelemento de tierra raragadolinioLos materiales esqueletos orgánicos de metal basados ​​aumentan su compatibilidad con el polietileno, promoviendo los materiales compuestos sintetizados para tener un mayor contenido de gadolinio y dispersión de gadolinio. El alto contenido y la dispersión de gadolinio afectarán directamente el rendimiento de blindaje de neutrones de los materiales compuestos.

Patente clave: Instituto de Ciencias Materiales de Hefei, Academia de Ciencias de China, Patente de invención de un Material de protección compuesto de marco orgánico a base de gadolinio y su método de preparación

Resumen de patentes: el material de blindaje compuesto de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio es un material compuesto formado mediante la mezclagadolinioMaterial esqueleto orgánico de metal basado con polietileno en una relación de peso de 2: 1: 10 y formándolo a través de la evaporación del solvente o la prensado en caliente. Los materiales de blindaje compuesto de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio tienen una alta estabilidad térmica y capacidad de protección térmica de neutrones.

Proceso de fabricación: seleccionar diferentemetal gadolinioSalas y ligandos orgánicos para preparar y sintetizar diferentes tipos de materiales esqueletos orgánicos de metal a base de gadolinio, lavándolos con pequeñas moléculas de metanol, etanol o agua mediante centrifugación, y activándolos a alta temperatura bajo condiciones de vacío para eliminar completamente los materias primas residuales sin reacción en los poros de los materiales de esqueleto de metal de gadolinium; El material esqueleto organometálico basado en gadolinio preparado en el paso se agita con una loción de polietileno a alta velocidad, o ultrasonicamente, o el material esqueleto organometálico basado en gadolinio preparado en el paso se mezcla con polietileno de peso molecular ultra alto a alta temperatura hasta que se mezcla completamente; Coloque la mezcla uniformemente mezclada con esqueleto de metal de metal a base de gadolinio/mezcla de polietileno en el molde, y obtenga el material de blindaje compuesto de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio formado por secado para promover la evaporación del solvente o la presión caliente; El material de blindaje compuesto de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio preparado ha mejorado significativamente la resistencia al calor, las propiedades mecánicas y la capacidad superior de blindaje de neutrones térmicos en comparación con los materiales de polietileno puro.

Modo de adición de tierras raras: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 o GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Polímero de coordinación cristalina porosa que contiene gadolinio, que se obtiene por polimerización de coordinación de la polimerización de la coordinación deGD (NO3) 3 • 6H2O o GDCL3 • 6H2Oy ligando de carboxilato orgánico; El tamaño del material esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio es de 50 nm-2 μ m ； Los materiales de esqueleto orgánico de metal a base de gadolinio tienen diferentes morfologías, incluidas formas granulares, en forma de varilla o en forma de aguja.

（4） Aplicación deEscandioen radioquímica y industria nuclear

Scandium Metal tiene una buena estabilidad térmica y un fuerte rendimiento de absorción de flúor, lo que lo convierte en un material indispensable en la industria de la energía atómica.

Patente clave: Desarrollo aeroespacial de China Beijing Instituto de Materiales aeronáuticos, Patente de invención para una aleación de aluminio de escandio de magnesio y su método de preparación

Resumen de patentes: un zinc de aluminioaleación de escandio de magnesioy su método de preparación. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0.15%, y la cantidad restante es al. La microestructura de este material de aleación de escandio de escandio de magnesio de zinc de aluminio es uniforme y su rendimiento es estable, con una resistencia a la tracción máxima de más de 400MPa, una resistencia de rendimiento de más de 350MPa y una resistencia a la tracción de más de 370MPA para las juntas soldadas. Los productos materiales se pueden utilizar como elementos estructurales en la industria aeroespacial, nuclear, transporte, artículos deportivos, armas y otros campos.

Proceso de fabricación: Paso 1, ingrediente de acuerdo con la composición de aleación anterior; Paso 2: derretir el horno de fundición a una temperatura de 700 ℃ ~ 780 ℃; Paso 3: refine el líquido metálico completamente derretido y mantenga la temperatura del metal dentro del rango de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​durante el refinación; Paso 4: Después de refinar, se debe permitir completamente quedarse quieto; Paso 5: Después de estar completamente de pie, comience a fundir, mantenga la temperatura del horno dentro del rango de 690 ℃ ~ 730 ℃, y la velocidad de fundición es de 15-200 mm/minuto; Paso 6: Realice el tratamiento de recocido de homogeneización en el lingote de aleación en el horno de calefacción, con una temperatura de homogeneización de 400 ℃ ~ 470 ℃; Paso 7: Pele el lingote homogeneizado y realice extrusión en caliente para producir perfiles con un espesor de pared de más de 2.0 mm. Durante el proceso de extrusión, el tocho debe mantenerse a una temperatura de 350 ℃ a 410 ℃; Paso 8: Exprima el perfil para el tratamiento de enfriamiento de la solución, con una temperatura de solución de 460-480 ℃; Paso 9: después de 72 horas de enfriamiento de solución sólida, el envejecimiento manual de fuerza. El sistema de envejecimiento de la fuerza manual es: 90 ~ 110 ℃/24 horas+170 ~ 180 ℃/5 horas, o 90 ~ 110 ℃/24 horas+145 ~ 155 ℃/10 horas.

5 、 Resumen de investigación

En general, las tierras raras se usan ampliamente en fusión nuclear y fisión nuclear, y tienen muchos diseños de patentes en direcciones técnicas como excitación de rayos X, formación de plasma, reactor de agua ligera, transuranio, uranilo y polvo de óxido. En cuanto a los materiales del reactor, se pueden usar tierras raras como materiales estructurales del reactor y materiales de aislamiento cerámico relacionados, materiales de control y materiales de protección de radiación de neutrones.