1, Định nghĩa vật liệu hạt nhân
Theo nghĩa rộng, vật liệu hạt nhân là thuật ngữ chung để chỉ các loại vật liệu được sử dụng riêng trong ngành công nghiệp hạt nhân và nghiên cứu khoa học hạt nhân, bao gồm nhiên liệu hạt nhân và vật liệu kỹ thuật hạt nhân, tức là vật liệu nhiên liệu phi hạt nhân.
Các vật liệu hạt nhân thường được nhắc đến chủ yếu đề cập đến các vật liệu được sử dụng trong các bộ phận 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 bọc cho các thành phần nhiên liệu hạt nhân, chất làm mát, chất điều tiết neutron (bộ điều tiết), vật liệu thanh điều khiển hấp thụ mạnh neutron và vật liệu phản xạ ngăn chặn rò rỉ neutron ra ngoài lò phản ứng.
2. Mối liên hệ giữa tài nguyên đất hiếm và tài nguyên hạt nhân
Monazite, còn được gọi là phosphocerite và phosphocerite, là một khoáng chất phụ phổ biến trong đá lửa có tính axit trung gian và đá biến chất. Monazite là một trong những khoáng chất chính của quặng kim loại đất hiếm và cũng tồn tại trong một số loại đá trầm tích. Màu đỏ nâu, vàng, đôi khi có màu vàng nâu, có ánh nhờn, phân tách hoàn toàn, độ cứng Mohs 5-5,5 và trọng lượng riêng 4,9-5,5.
Khoáng vật quặng chính của một số mỏ đất hiếm loại sa khoáng ở Trung Quốc là monazite, chủ yếu nằm ở TongThành, Hồ Bắc, Nhạc Dương, Hồ Nam, Thượng Nhiêu, Giang Tây, Mạnh Hải, Vân Nam và He County, Quảng Tây. Tuy nhiên, việc khai thác tài nguyên đất hiếm loại sa khoáng thường không có ý nghĩa kinh tế. Các đá đơn độc thường chứa các nguyên tố thori phản xạ và cũng là nguồn cung cấp plutoni thương mại chính.
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 từ khóa của các phần tử tìm kiếm đất hiếm được mở rộng hoàn toàn, chúng được kết hợp với các khóa mở rộng và số phân loại của phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân và tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu Incopt. Ngày tìm kiếm là ngày 24 tháng 8 năm 2020. Đã có được 4837 bằng sáng chế sau khi hợp nhất họ đơn giản và 4673 bằng sáng chế được xác định sau khi giảm tiếng ồn nhân tạo.
Các đơn xin cấp bằng sáng chế đất hiếm trong lĩnh vực phân hạch hạt nhân hoặc phản ứng tổng hợp hạt nhân được phân bổ ở 56 quốc gia/khu vực, chủ yếu tập trung ở Nhật Bản, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Đức và Nga, v.v. Một số lượng đáng kể các bằng sáng chế được áp dụng dưới hình thức PCT , trong đó việc ứng dụng công nghệ bằng sáng chế của Trung Quốc ngày càng gia tăng, đặc biệt kể từ năm 2009 bước vào giai đoạn tăng trưởng nhanh và Nhật Bản, Hoa Kỳ và Nga tiếp tục bố trí trong lĩnh vực này trong nhiều năm (Hình 1).
Hình 1 Xu hướng áp dụng bằng sáng chế công nghệ liên quan đến ứng dụng đất hiếm trong phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân ở các quốc gia/khu vực
Có thể thấy từ việc phân tích các chủ đề kỹ thuật rằng việc ứng dụng đất hiếm trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân tập trung vào các nguyên tố nhiên liệu, máy phát sáng nhấp nháy, máy dò bức xạ, Actinide, plasma, lò phản ứng hạt nhân, vật liệu che chắn, hấp thụ neutron và các hướng kỹ thuật khác.
4、 Các ứng dụng cụ thể và nghiên cứu bằng sáng chế quan trọng về các nguyên tố đất hiếm trong vật liệu hạt nhân
Trong số đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân trong vật liệu hạt nhân rất khốc liệt và yêu cầu đối với vật liệu rất nghiêm ngặt. Hiện nay, các lò phản ứng điện chủ yếu là lò phản ứng phân hạch hạt nhân, lò phản ứng nhiệt hạch có thể được phổ biến trên quy mô lớn sau 50 năm. Việc áp dụngđất hiếmcác yếu tố trong vật liệu kết cấu 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,Scandicũng đã được sử dụng trong hóa học phóng xạ và công nghiệp hạt nhân.
（1） Là chất độc dễ cháy hoặc thanh điều khiển để điều chỉnh mức neutron và trạng thái tới hạn của lò phản ứng hạt nhân
Trong các lò phản ứng điện, độ phản ứng dư ban đầu của lõi mới nhìn chung tương đối cao. Đặc biệt trong giai đoạn đầu của chu kỳ tiếp nhiên liệu đầu tiên, khi toàn bộ nhiên liệu hạt nhân trong lõi đều mới thì khả năng phản ứng còn lại là cao nhất. Tại thời điểm này, việc chỉ dựa vào việc tăng số lượng thanh điều khiển để bù đắp cho khả năng phản ứng còn sót lại sẽ tạo ra nhiều thanh điều khiển hơn. Mỗi thanh điều khiển (hoặc bó thanh) tương ứng với việc đưa vào một cơ cấu truyền động phức tạp. Một mặt, điều này làm tăng chi phí, mặt khác, việc mở các lỗ trên đầu bình áp lực có thể dẫn đến giảm độ bền kết cấu. Nó không những không kinh tế mà còn không được phép có một độ xốp và độ bền kết cấu nhất định trên đầu bình áp lực. Tuy nhiên, không tăng thanh điều khiển mà phải tăng nồng độ chất độc bù hóa học (như axit boric) để bù cho phần phản ứng còn lại. Trong trường hợp này, nồng độ boron rất dễ vượt quá ngưỡng và hệ số nhiệt độ của chất điều tiết sẽ trở nên dương.
Để tránh những vấn đề nêu trên, nói chung có thể sử dụng sự kết hợp của các chất độc dễ cháy, thanh kiểm soát và kiểm soát bù hóa chất để kiểm soát.
（2） Là chất khử tạp để nâng cao hiệu suất của vật liệu kết cấu lò phản ứng
Lò phản ứng yêu cầu các thành phần cấu trúc và thành phần nhiên liệu phải có độ bền, khả năng chống ăn mòn và độ ổn định nhiệt cao nhất định, đồng thời ngăn chặn các sản phẩm phân hạch xâm nhập vào chất làm mát.
1) .Thép đất hiếm
Lò phản ứng hạt nhân có điều kiện vật lý và hóa học khắc nghiệt, mỗi bộ phận của lò phản ứng cũng có yêu cầu cao đối với loại thép đặc biệt được sử dụng. Các nguyên tố đất hiếm có tác dụng biến đổi đặc biệt đối với thép, chủ yếu bao gồm tinh chế, biến chất, hợp kim vi mô và cải thiện khả năng chống ăn mòn. Thép chứa đất hiếm cũng được sử dụng rộng rãi trong các lò phản ứng hạt nhân.
① Hiệu quả làm sạch: Nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng đất hiếm có tác dụng làm sạch tốt đối với thép nóng chảy ở nhiệt độ cao. Điều này là do đất hiếm có thể phản ứng với các nguyên tố có hại như oxy và lưu huỳnh trong thép nóng chảy để tạo ra các hợp chất có nhiệt độ cao. Các hợp chất ở nhiệt độ cao có thể được kết tủa và thải ra dưới dạng tạp chất trước khi thép nóng chảy ngưng tụ, do đó làm giảm hàm lượng tạp chất trong thép nóng chảy.
② Biến chất: mặt khác, các oxit, sunfua hoặc oxysulfua sinh ra do 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 tạp chất của thép có nhiệt độ nóng chảy cao . Những thể 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.
③ Hợp kim vi mô: nếu lượng đất hiếm được bổ sung thêm, lượng đất hiếm còn lại sẽ bị hòa tan trong thép sau khi quá trình tinh chế và biến chất trên hoàn thành. Vì bán kính nguyên tử của đất hiếm lớn hơn bán kính nguyên tử sắt nên đất hiếm có hoạt tính bề mặt cao hơn. Trong quá trình hóa rắn thép nóng chảy, các nguyên tố đất hiếm được làm giàu ở ranh giới hạt, điều này có thể làm giảm sự phân tách các nguyên tố tạp chất ở ranh giới hạt tốt hơn, do đó tăng cường dung dịch rắn và đóng vai trò của hợp kim vi mô. Mặt khác, do đặc tính lưu trữ hydro của đất hiếm nên chúng có thể hấp thụ hydro trong thép, từ đó cải thiện hiệu quả hiện tượng giòn hydro của thép.
④ 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 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, từ đó cải thiện tính ổn định của thép trong môi trường ăn mòn.
2). Nghiên cứu bằng sáng chế quan trọng
Bằng sáng chế quan trọng: bằng sáng chế về chất phân tán oxit tăng cường thép hoạt tính thấp và phương pháp điều chế nó của Viện Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Tóm tắt bằng sáng chế: Sáng chế cung cấp thép hoạt tính thấp được tăng cường phân tán oxit thích hợp cho lò phản ứng nhiệt hạch và phương pháp điều chế nó, đặc trưng ở chỗ tỷ lệ phần trăm các nguyên tố hợp kim trong tổng khối lượng của thép hoạt tính thấp là: ma trận là 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% và 0,05% Y2O3 0,5%.
Quy trình sản xuất: Luyện hợp kim mẹ Fe-Cr-WV-Ta-Mn, nguyên tử hóa bột, nghiền bi năng lượng cao của hợp kim mẹ vàhạt nano Y2O3hỗn hợp bột, chiết bao bột, đúc kiên cố, cán nóng và xử lý nhiệt.
Phương pháp bổ sung đất hiếm: Thêm ở cấp độ nanoY2O3các hạt thành bột nguyên tử hóa hợp kim gốc để nghiền bi năng lượng cao, với môi trường nghiền bi là Φ 6 và Φ 10 quả bóng thép cứng hỗn hợp, với môi trường nghiền bi chứa 99,99% khí argon, tỷ lệ khối lượng vật liệu bi là (8- 10): 1, thời gian nghiền bi 40-70 giờ, tốc độ quay 350-500 vòng/phút.
3) .Được sử dụng để chế tạo vật liệu bảo vệ bức xạ neutron
① Nguyên lý bảo vệ bức xạ neutron
Neutron là thành phần của hạt nhân nguyên tử, có khối lượng tĩnh 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 tia γ. Các tia đều không tích điện. Khi neutron tương tác với vật chất, chúng chủ yếu tương tác với lực hạt nhân bên trong hạt nhân, không tương tác với các electron ở lớp vỏ ngoài.
Với sự phát triển nhanh chóng của năng lượng hạt nhân và công nghệ lò phản ứng hạt nhân, vấn đề an toàn bức xạ hạt nhân và bảo vệ bức xạ hạt nhân ngày càng được chú ý nhiều hơn. Để tăng cường bảo vệ bức xạ cho những người vận hành đã tham gia bảo trì thiết bị bức xạ và cứu hộ tai nạn trong một thời gian dài, việc phát triển vật liệu tổng hợp che chắn nhẹ cho quần áo bảo hộ có ý nghĩa khoa học và giá trị kinh tế rất lớn. 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 làm chậm lại thành các neutron năng lượng thấp sau tác dụng che chắn neutron của vật liệu cấu trúc bên trong lò phản ứng hạt nhân. Các neutron năng lượng thấp sẽ va chạm đàn hồi với các hạt nhân có số nguyên tử thấp hơn và tiếp tục điều hòa. Các neutron nhiệt được điều tiết sẽ được hấp thụ bởi các nguyên tố có tiết diện hấp thụ neutron lớn hơn, và cuối cùng sẽ đạt được sự che chắn neutron.
② Nghiên cứu bằng sáng chế quan trọng
Các đặc tính xốp và lai hữu cơ-vô cơ củanguyên tố đất hiếmgadoliniumVật liệu khung hữu cơ dựa trên kim loại tăng khả năng tương thích với polyetylen, thúc đẩy vật liệu composite tổng hợp có hàm lượng gadolinium và độ phân tán gadolinium cao hơn. Hàm lượng gadolinium cao và độ phân tán sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất che chắn neutron của vật liệu composite.
Bằng sáng chế quan trọng: Viện Khoa học Vật liệu Hợp Phì, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, bằng sáng chế về vật liệu che chắn tổng hợp khung hữu cơ dựa trên gadolinium và phương pháp điều chế nó
Tóm tắt bằng sáng chế: Vật liệu che chắn tổng hợp khung hữu cơ kim loại gốc gadolinium là vật liệu tổng hợp được hình thành bằng cách trộngadoliniumvật liệu khung hữu cơ dựa trên kim loại với polyetylen theo tỷ lệ trọng lượng 2:1:10 và hình thành nó thông qua sự bay hơi dung môi hoặc ép nóng. Vật liệu che chắn tổng hợp khung xương hữu cơ kim loại gadolinium có độ ổn định nhiệt cao và khả năng che chắn neutron nhiệt.
Quy trình sản xuất: lựa chọn khác nhaukim loại gadoliniummuối và phối tử hữu cơ để điều chế và tổng hợp các loại vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc gadolinium khác nhau, rửa chúng bằng các phân tử nhỏ metanol, etanol hoặc nước bằng cách ly tâm và kích hoạt chúng ở nhiệt độ cao trong điều kiện chân không để loại bỏ hoàn toàn các nguyên liệu thô chưa phản ứng còn sót lại trong các lỗ của vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc gadolinium; Vật liệu khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium được chuẩn bị ở bước này được khuấy với chất lỏng polyetylen ở tốc độ cao, hoặc bằng sóng siêu âm, hoặc vật liệu khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium được chuẩn bị trong bước này được trộn nóng chảy với polyetylen có trọng lượng phân tử cực cao ở nhiệt độ cao cho đến khi trộn hoàn toàn; Đặt hỗn hợp vật liệu khung hữu cơ/polyethylene dựa trên kim loại gadolinium được trộn đều vào khuôn và thu được vật liệu che chắn hỗn hợp khung hữu cơ kim loại dựa trên gadolinium được tạo thành bằng cách sấy khô để thúc đẩy bay hơi dung môi hoặc ép nóng; Vật liệu che chắn hỗn hợp khung hữu cơ kim loại dựa trên gadolinium đã được điều chế đã cải thiện đáng kể khả năng chịu nhiệt, tính chất cơ học và khả năng che chắn neutron nhiệt vượt trội so với vật liệu polyetylen nguyên chất.
Chế độ bổ sung đất hiếm: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 hoặc Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 polyme phối hợp tinh thể xốp có chứa gadolinium, thu được bằng cách trùng hợp phối hợpGd (NO3) 3 • 6H2O hoặc GdCl3 • 6H2Ovà phối tử cacboxylat hữu cơ; Kích thước của vật liệu khung hữu cơ kim loại dựa trên gadolinium là 50nm-2 μ m; Vật liệu khung hữu cơ kim loại dựa trên gadolinium có các hình thái khác nhau, bao gồm hình dạng dạng hạt, hình que hoặc hình kim.
（4) Áp dụngvụ bê bốitrong ngành Hóa phóng xạ và hạt nhân
Kim loại Scandium có độ ổn định nhiệt tốt và hiệu suất hấp thụ flo mạnh, khiến nó trở thành vật liệu không thể thiếu trong ngành năng lượng nguyên tử.
Bằng sáng chế quan trọng: Viện Phát triển Hàng không Vũ trụ Trung Quốc Viện Vật liệu Hàng không Bắc Kinh, bằng sáng chế cho hợp kim scandium nhôm kẽm magiê và phương pháp điều chế nó
Tóm tắt bằng sáng chế: Nhôm kẽmhợp kim magie scandivà phương pháp chuẩn bị của nó. Thành phần hóa học và tỷ lệ phần trăm trọng lượng của hợp kim nhôm kẽm magiê scandium là: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, tạp chất Cu 0,2%, Si 0,35%, Fe 0,4%, các tạp chất khác đơn lẻ 0,05%, tổng tạp chất khác 0,05% 0,15%, còn lại là Al. Cấu trúc vi mô của vật liệu hợp kim nhôm kẽm magiê scandium này là đồng nhất và hiệu suất ổn định, với độ bền kéo cuối cùng trên 400MPa, cường độ năng suất trên 350MPa và độ bền kéo trên 370MPa đối với các mối hàn. Các sản phẩm vật chất có thể được sử dụng làm thành phần cấu trúc trong ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp hạt nhân, giao thông vận tải, đồ 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: Đun chảy trong lò luyện ở nhiệt độ 700oC ~ 780oC; Bước 3: Tinh chế chất lỏng kim loại nóng chảy hoàn toàn và duy trì nhiệt độ kim loại trong khoảng 700oC ~ 750oC trong quá trình tinh luyện; Bước 4: Sau khi tinh chế phải để yên hoàn toàn; Bước 5: Sau khi đứng hoàn toàn, bắt đầu đúc, duy trì nhiệt độ lò trong khoảng 690oC ~ 730oC và tốc độ đúc là 15-200mm/phút; Bước 6: Thực hiện xử lý ủ đồng nhất trên phôi hợp kim trong lò gia nhiệt, với nhiệt độ đồng nhất là 400oC ~ 470oC; Bước 7: Bóc phôi đồng nhất và thực hiện ép đùn nóng để tạo ra các biên dạng có độ dày thành trên 2,0mm. Trong quá trình ép đùn, phôi phải được duy trì ở nhiệt độ từ 350oC đến 410oC; Bước 8: Ép hồ sơ để xử lý dung dịch dập tắt, với nhiệt độ dung dịch 460-480oC; Bước 9: Sau 72 giờ làm nguội dung dịch rắn, ép lão hóa bằng tay. Hệ thống lão hóa lực thủ công là: 90 ~ 110 oC/24 giờ+170 ~ 180 oC/5 giờ, hoặc 90 ~ 110 oC/24 giờ+145 ~ 155 oC/10 giờ.
5, Tóm tắt nghiên cứu
Nhìn chung, đất hiếm được sử dụng rộng rãi trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân, đồng thời 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 bột oxit. Đối với vật liệu lò phản ứng, đất hiếm có thể được sử dụng làm vật liệu kết cấu lò phản ứng và vật liệu cách nhiệt bằng gốm liên quan, vật liệu điều khiển và vật liệu bảo vệ bức xạ neutron.
Thời gian đăng: 26-05-2023