Áp dụng các yếu tố đất hiếm trong vật liệu hạt nhân

1 Định nghĩa vật liệu hạt nhân

Theo nghĩa rộng, vật liệu hạt nhân là thuật ngữ chung cho các vật liệu được sử dụng độc quyền trong ngành công nghiệp hạt nhân và nghiên cứu khoa học hạt nhân, bao gồm các vật liệu kỹ thuật hạt nhân và hạt nhân, tức là vật liệu nhiên liệu phi hạt nhân.

Các vật liệu hạt nhân thường được đề cập chủ yếu đề cập đến các vật liệu được sử dụng trong các phần khác nhau của lò phản ứng, còn được gọi là vật liệu lò phản ứng. Vật liệu lò phản ứng bao gồm nhiên liệu hạt nhân trải qua quá trình phân hạch hạt nhân dưới sự bắn phá neutron, vật liệu ốp cho các thành phần nhiên liệu hạt nhân, chất làm mát, điều hành neutron (điều hành), vật liệu kiểm soát hấp thụ mạnh mẽ và vật liệu phản xạ ngăn ngừa rò rỉ neutron bên ngoài lò phản ứng.

2 CO Mối quan hệ liên quan giữa tài nguyên đất hiếm và tài nguyên hạt nhân

Monazite, còn được gọi là phosphocerite và phosphocerite, là một khoáng chất phụ kiện phổ biến trong đá lửa trung gian và đá biến chất. Monazite là một trong những khoáng chất chính của quặng kim loại đất quý hiếm, và cũng tồn tại trong một số đá trầm tích. Màu nâu đỏ, vàng, đôi khi màu vàng nâu, với độ bóng nhờn, sự phân tách hoàn toàn, độ cứng của MOHS là 5-5,5 và trọng lực cụ thể là 4,9-5,5.

Khoáng sản chính của một số loại tiền gửi đất hiếm ở Trung Quốc là Monazite, chủ yếu nằm ở Tongcheng, Hubeyi, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Manghai, Yunnan, và anh, Quận, Quảng Tây. Tuy nhiên, việc khai thác loại tài nguyên đất hiếm loại thường không có ý nghĩa kinh tế. Đá đơn độc thường chứa các yếu tố thorium phản xạ và cũng là nguồn chính của plutoni thương mại.

3 Tổng quan về ứng dụng đất hiếm trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân dựa trên phân tích toàn cảnh bằng sáng chế

Sau khi các từ khóa của các yếu tố tìm kiếm trái đất hiếm được mở rộng hoàn toàn, chúng được kết hợp với các khóa mở rộng và số lượng phân loại của phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân, và được tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu INCOPT. Ngày tìm kiếm là ngày 24 tháng 8 năm 2020. 4837 bằng sáng chế đã được lấy sau khi sáp nhập gia đình đơn giản và 4673 bằng sáng chế được xác định sau khi giảm tiếng ồn nhân tạo.

Các ứng dụng bằng sáng chế đất hiếm trong lĩnh vực phân hạch hạt nhân hoặc phản ứng tổng hợp hạt nhân được phân phối ở 56 quốc gia/khu vực, chủ yếu tập trung ở Nhật Bản, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Đức và Nga, v.v. 1).

Hình 1 Xu hướng ứng dụng của các bằng sáng chế công nghệ liên quan đến ứng dụng đất hiếm trong phân hạch hạt nhân và hợp nhất hạt nhân ở các quốc gia/khu vực

Có thể thấy từ việc phân tích các chủ đề kỹ thuật rằng việc áp dụng đất hiếm trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân tập trung vào các yếu tố nhiên liệu, scintillators, máy dò bức xạ, actinides, plasma, lò phản ứng hạt nhân, vật liệu che chắn, hấp thụ neutron và các hướng kỹ thuật khác.

4 Ứng dụng cụ thể và nghiên cứu bằng sáng chế chính của các yếu tố đất hiếm trong vật liệu hạt nhân

Trong số đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân và phản ứng phân hạch hạt nhân trong các vật liệu hạt nhân rất dữ dội, và các yêu cầu đối với vật liệu là nghiêm ngặt. Hiện tại, các lò phản ứng điện chủ yếu là các lò phản ứng phân hạch hạt nhân và các lò phản ứng tổng hợp có thể được phổ biến trên quy mô lớn sau 50 năm. Ứng dụng củaTrái đất hiếmcác yếu tố trong vật liệu cấu trúc lò phản ứng; Trong các lĩnh vực hóa học hạt nhân cụ thể, các nguyên tố đất hiếm chủ yếu được sử dụng trong các thanh điều khiển; Ngoài ra,scandiumCũng đã được sử dụng trong ngành phóng xạ và công nghiệp hạt nhân.

（1） Là chất độc hoặc thanh điều khiển dễ cháy để điều chỉnh mức độ neutron và trạng thái quan trọng của lò phản ứng hạt nhân

Trong các lò phản ứng điện, khả năng phản ứng còn lại ban đầu của lõi mới thường tương đối cao. Đặc biệt là trong giai đoạn đầu của chu kỳ tiếp nhiên liệu đầu tiên, khi tất cả nhiên liệu hạt nhân trong lõi là mới, khả năng phản ứng còn lại là cao nhất. Tại thời điểm này, chỉ dựa vào việc tăng các thanh kiểm soát để bù cho khả năng phản ứng còn lại sẽ giới thiệu nhiều thanh điều khiển hơn. Mỗi thanh điều khiển (hoặc bó thanh) tương ứng với sự ra đời của một cơ chế lái xe phức tạp. Một mặt, điều này làm tăng chi phí, và mặt khác, việc mở các lỗ hổng trong đầu tàu áp lực có thể dẫn đến giảm cường độ cấu trúc. Nó không chỉ là không kinh tế, mà còn không được phép có một lượng độ xốp và cường độ cấu trúc nhất định trên đầu tàu áp suất. Tuy nhiên, không tăng các thanh kiểm soát, cần phải tăng nồng độ độc tố bù hóa học (như axit boric) để bù cho khả năng phản ứng còn lại. Trong trường hợp này, nồng độ boron dễ dàng vượt quá ngưỡng và hệ số nhiệt độ của người điều hành sẽ trở nên dương.

Để tránh các vấn đề đã nói ở trên, sự kết hợp của độc tố dễ cháy, thanh kiểm soát và kiểm soát bù hóa học thường có thể được sử dụng để kiểm soát.

（2） Là một dopant để tăng cường hiệu suất của vật liệu cấu trúc lò phản ứng

Các lò phản ứng yêu cầu các thành phần cấu trúc và các yếu tố nhiên liệu có mức độ mạnh nhất định, khả năng chống ăn mòn và độ ổn định nhiệt cao, đồng thời ngăn các sản phẩm phân hạch xâm nhập vào chất làm mát.

1) .Rare Earth Steel

Lò phản ứng hạt nhân có điều kiện vật lý và hóa học cực đoan, và mỗi thành phần của lò phản ứng cũng có yêu cầu cao đối với thép đặc biệt được sử dụng. Các yếu tố đất hiếm có tác dụng điều chỉnh đặc biệt đối với thép, chủ yếu bao gồm tinh chế, biến chất, vi mô và cải thiện khả năng chống ăn mòn. Các loại thép chứa đất hiếm cũng được sử dụng rộng rãi trong các lò phản ứng hạt nhân.

Hiệu ứng tinh chế: Nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng Trái đất hiếm có tác dụng tinh chế tốt trên thép nóng chảy ở nhiệt độ cao. Điều này là do đất hiếm có thể phản ứng với các yếu tố có hại như oxy và lưu huỳnh trong thép nóng chảy để tạo ra các hợp chất nhiệt độ cao. Các hợp chất nhiệt độ cao có thể được kết tủa và thải ra dưới dạng vùi trước khi ngưng tụ thép nóng chảy, do đó làm giảm hàm lượng tạp chất trong thép nóng chảy.

Biến thái: Mặt khác, các oxit, sunfua hoặc oxy hóa được tạo ra bởi phản ứng của đất hiếm trong thép nóng chảy với các nguyên tố có hại như oxy và lưu huỳnh có thể được giữ lại một phần trong thép nóng chảy và trở thành bao gồm thép với điểm nóng chảy cao. Những vùi này có thể được sử dụng làm trung tâm tạo mầm không đồng nhất trong quá trình hóa rắn thép nóng chảy, do đó cải thiện hình dạng và cấu trúc của thép.

Microalloying: Nếu việc bổ sung đất hiếm được tăng thêm, trái đất hiếm còn lại sẽ được hòa tan trong thép sau khi hoàn thành việc tinh chế và biến chất ở trên. Vì bán kính nguyên tử của đất hiếm lớn hơn nguyên tử sắt, nên đất hiếm có hoạt động bề mặt cao hơn. Trong quá trình hóa rắn của thép nóng chảy, các nguyên tố đất hiếm được làm giàu ở ranh giới hạt, điều này có thể làm giảm sự phân tách của các yếu tố tạp chất ở ranh giới hạt, do đó tăng cường dung dịch rắn và đóng vai trò vi mô. Mặt khác, do các đặc tính lưu trữ hydro của đất hiếm, chúng có thể hấp thụ hydro trong thép, do đó cải thiện hiệu quả hiện tượng hấp thụ hydro của thép.

Cải thiện khả năng chống ăn mòn: Việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm cũng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép. Điều này là do trái đất hiếm có khả năng tự ăn mòn cao hơn thép không gỉ. Do đó, việc bổ sung đất hiếm có thể làm tăng khả năng tự ăn mòn của thép không gỉ, do đó cải thiện tính ổn định của thép trong môi trường ăn mòn.

2). Nghiên cứu bằng sáng chế chính

Bằng sáng chế chính: Bằng sáng chế phát minh của sự phân tán oxit đã tăng cường thép kích hoạt thấp và phương pháp chuẩn bị của nó bởi Viện Kim loại, Học viện Khoa học Trung Quốc

Tóm tắt bằng sáng chế: Được cung cấp là sự phân tán oxit được tăng cường thép kích hoạt thấp phù hợp cho các lò phản ứng tổng hợp và phương pháp chuẩn bị của nó, đặc trưng trong đó tỷ lệ phần trăm của các nguyên tố hợp kim trong tổng khối lượng của thép kích hoạt thấp là: Ma trận là Fe TA ≤ 0,2%, 0,1 mn 0,6%và 0,05%≤ y2O3 0,5%.

Quy trình sản xuất: Fe-CR-WV-TA-MN Hợp kim Hợp kimHạt nano Y2O3Bột hỗn hợp, khai thác bao bọc bột, đúc hóa rắn, cán nóng và xử lý nhiệt.

Phương pháp bổ sung trái đất hiếm: Thêm nano nanoY2O3Các hạt hợp kim của cha mẹ hợp kim hóa cho phay bóng năng lượng cao, với môi trường phay bóng là φ 6 và 10 quả bóng thép cứng hỗn hợp, với bầu không khí phay bóng là 99,99% khí argon, tỷ lệ khối lượng vật liệu bóng là (8-10): 1

3. Được sử dụng để chế tạo vật liệu bảo vệ bức xạ neutron

Nguyên tắc bảo vệ bức xạ neutron

Neutron là các thành phần của hạt nhân nguyên tử, với khối lượng tĩnh là 1,675 × 10-27kg, gấp 1838 lần khối lượng điện tử. Bán kính của nó xấp xỉ 0,8 × 10-15m, có kích thước tương tự như một proton, tương tự như các tia không được tích hợp như nhau. Khi neutron tương tác với vật chất, chúng chủ yếu tương tác với các lực hạt nhân bên trong nhân và không tương tác với các electron ở vỏ ngoài.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ lò phản ứng năng lượng hạt nhân và hạt nhân, ngày càng có nhiều sự chú ý hơn đối với an toàn bức xạ hạt nhân và bảo vệ bức xạ hạt nhân. Để tăng cường bảo vệ bức xạ cho các nhà khai thác đã tham gia bảo trì thiết bị bức xạ và giải cứu tai nạn trong một thời gian dài, nó có ý nghĩa khoa học lớn và giá trị kinh tế để phát triển vật liệu che chắn nhẹ cho quần áo bảo vệ. Bức xạ neutron là phần quan trọng nhất của bức xạ lò phản ứng hạt nhân. Nói chung, hầu hết các neutron tiếp xúc trực tiếp với con người đã bị chậm lại thành neutron năng lượng thấp sau khi hiệu ứng che chắn neutron của các vật liệu cấu trúc bên trong lò phản ứng hạt nhân. Neutron năng lượng thấp sẽ va chạm với các hạt nhân có số nguyên tử thấp hơn và tiếp tục được kiểm duyệt. Các neutron nhiệt được kiểm duyệt sẽ được hấp thụ bởi các yếu tố có mặt cắt hấp thụ neutron lớn hơn, và cuối cùng việc che chắn neutron sẽ đạt được.

② Nghiên cứu bằng sáng chế chính

Các đặc tính lai xốp và hữu cơ củanguyên tố đất hiếmGadoliniumCác vật liệu bộ xương hữu cơ bằng kim loại dựa trên khả năng tương thích của chúng với polyetylen, thúc đẩy các vật liệu composite tổng hợp để có hàm lượng gadolinium cao hơn và phân tán gadolinium. Hàm lượng và phân tán gadolinium cao sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất che chắn neutron của các vật liệu composite.

Bằng sáng chế chính: Học viện Khoa học Vật liệu Hefei, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Bằng sáng chế phát minh của một vật liệu che chắn tổng hợp khung hữu cơ dựa trên Gadolinium và phương pháp chuẩn bị của nó

Tóm tắt bằng sáng chế: Vật liệu che chắn tổng hợp bộ xương hữu cơ dựa trên gadolinium là một vật liệu composite được hình thành bằng cách trộnGadoliniumVật liệu bộ xương hữu cơ bằng kim loại dựa trên polyetylen theo tỷ lệ trọng lượng là 2: 1: 10 và hình thành nó thông qua sự bay hơi dung môi hoặc ép nóng. Vật liệu che chắn tổng hợp hữu cơ kim loại dựa trên Gadolinium có độ ổn định nhiệt cao và khả năng che chắn neutron nhiệt.

Quy trình sản xuất: Chọn khác nhaukim loại gadoliniummuối và phối tử hữu cơ để chuẩn bị và tổng hợp các loại vật liệu xương hữu cơ bằng kim loại dựa trên gadolinium khác nhau, rửa chúng bằng các phân tử nhỏ metanol, ethanol hoặc nước bằng cách ly tâm và kích hoạt chúng ở nhiệt độ cao trong điều kiện chân không Vật liệu bộ xương organometallic dựa trên gadolinium được điều chế theo bước được khuấy bằng kem dưỡng da polyetylen ở tốc độ cao, hoặc siêu âm, hoặc bộ xương organometallic dựa trên gadolinium được điều chế trong bước được pha trộn với hỗn hợp với polyetylen trọng lượng phân tử siêu cao ở nhiệt độ cao cho đến khi hỗn hợp hoàn toàn; Đặt chất liệu bộ xương hữu cơ gadolinium hỗn hợp đồng đều/hỗn hợp polyetylen trong khuôn, và thu được vật liệu che chắn bộ xương hữu cơ gadolinium dựa trên gadolinium được hình thành bằng cách sấy khô để thúc đẩy bay hơi dung môi hoặc ép nóng; Vật liệu che chắn tổng hợp bộ xương hữu cơ gadolinium dựa trên gadolinium có khả năng chống nhiệt, tính chất cơ học và khả năng che chắn neutron nhiệt vượt trội so với vật liệu polyetylen tinh khiết.

Chế độ bổ sung trái đất hiếm: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 hoặc GD (BDC) 1.5 (H2O)GD (NO3) 3 • 6H2O hoặc GDCL3 • 6H2Ovà phối tử carboxylate hữu cơ; Kích thước của vật liệu bộ xương hữu cơ kim loại dựa trên gadolinium là 50nm-2 μ m ； vật liệu bộ xương hữu cơ bằng kim loại dựa trên gadolinium có các hình thái khác nhau, bao gồm hình dạng hạt, hình que hoặc hình kim.

（4 Ứng dụng củaScandiumtrong ngành hóa học và ngành công nghiệp hạt nhân

Kim loại Scandium có độ ổn định nhiệt tốt và hiệu suất hấp thụ flo mạnh, làm cho nó trở thành một vật liệu không thể thiếu trong ngành công nghiệp năng lượng nguyên tử.

Bằng sáng chế chính: Phát triển hàng không vũ trụ Trung Quốc Viện Vật liệu hàng không

Tóm tắt bằng sáng chế: Một kẽm nhômHợp kim magiê scandiumvà phương pháp chuẩn bị của nó. Thành phần hóa học và tỷ lệ phần trăm trọng lượng của hợp kim scandium magiê nhôm là: Mg 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, Zr 0,04%-0,35% 0,15%, và số tiền còn lại là al. Cấu trúc vi mô của vật liệu hợp kim magiê bằng kẽm nhôm này là đồng đều và hiệu suất của nó ổn định, với độ bền kéo cuối cùng trên 400MPa, cường độ năng suất trên 350MPa và độ bền kéo hơn 370MPa đối với khớp hàn. Các sản phẩm vật liệu có thể được sử dụng làm yếu tố cấu trúc trong hàng không vũ trụ, công nghiệp hạt nhân, giao thông vận tải, hàng thể thao, vũ khí và các lĩnh vực khác.

Quy trình sản xuất: Bước 1, Thành phần theo thành phần hợp kim trên; Bước 2: tan chảy trong lò nung ở nhiệt độ 700 ~ 780; Bước 3: Tinh chỉnh chất lỏng kim loại tan chảy hoàn toàn và duy trì nhiệt độ kim loại trong phạm vi 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​trong quá trình tinh chế; Bước 4: Sau khi tinh chế, nó nên được cho phép hoàn toàn đứng yên; Bước 5: Sau khi đứng đầy đủ, bắt đầu đúc, duy trì nhiệt độ lò trong phạm vi 690 ℃ ~ 730 và tốc độ đúc là 15-200mm/phút; Bước 6: Thực hiện điều trị ủ đồng nhất hóa trên thỏi hợp kim trong lò sưởi, với nhiệt độ đồng nhất hóa là 400 ~ 470; Bước 7: Gọt vỏ thỏi đồng nhất và thực hiện đùn nóng để tạo ra các cấu hình có độ dày thành hơn 2.0mm. Trong quá trình đùn, phôi phải được duy trì ở nhiệt độ 350 đến 410; Bước 8: Sắt hồ sơ để điều trị dập tắt dung dịch, với nhiệt độ dung dịch 460-480; Bước 9: Sau 72 giờ làm nguội dung dịch rắn, lực lão hóa bằng tay. Hệ thống lão hóa lực thủ công là: 90 ~ 110/24 giờ+170 ~ 180 ℃/5 giờ, hoặc 90 ~ 110 ℃/24 giờ+145 ~ 155/10 giờ.

5 Tóm tắt nghiên cứu

Nhìn chung, Trái đất hiếm được sử dụng rộng rãi trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân, và có nhiều bố cục bằng sáng chế theo các hướng kỹ thuật như kích thích tia X, hình thành plasma, lò phản ứng nước nhẹ, transuranium, uranyl và oxit. Đối với vật liệu lò phản ứng, đất hiếm có thể được sử dụng làm vật liệu cấu trúc lò phản ứng và vật liệu cách điện gốm liên quan, vật liệu điều khiển và vật liệu bảo vệ bức xạ neutron.