Ứng dụng của các nguyên tố đất hiếm trong vật liệu hạt nhân

1、 Định nghĩa về vật liệu hạt nhân

Theo nghĩa rộng, vật liệu hạt nhân là thuật ngữ chung cho các 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 không phải nhiên liệu hạt nhân.

Vật liệu hạt nhân thường được nhắc đến chủ yếu là 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 làm chậm neutron (chất làm chậm), vật liệu thanh điều khiển hấp thụ mạnh neutron và vật liệu phản xạ ngăn chặn rò rỉ neutron ra bên ngoài lò phản ứng.

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

Monazite, còn được gọi là phosphocerite và phosphocerite, là một khoáng vật phụ phổ biến trong đá mácma axit trung gian và đá biến chất. Monazite là một trong những khoáng vật chính của quặng kim loại đất hiếm, và cũng tồn tại trong một số đá trầm tích. Màu đỏ nâu, vàng, đôi khi vàng nâu, có độ bóng nhờn, phân cắt hoàn toàn, độ cứng Mohs là 5-5,5 và trọng lượng riêng là 4,9-5,5.

Khoáng sản quặng chính của một số mỏ đất hiếm loại sa khoáng ở Trung Quốc là monazit, chủ yếu nằm ở Đồng Thành, Hồ Bắc, Nhạc Dương, Hồ Nam, Thượng Nhiêu, Giang Tây, Mạnh Hải, Vân Nam và huyện Hà, Quảng Tây. Tuy nhiên, việc khai thác tài nguyên đất hiếm loại sa khoáng thường không có ý nghĩa kinh tế. Đá đơn lẻ thường chứa các nguyên tố thorium phản xạ và cũng là nguồn chính của plutonium 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 tìm kiếm đất hiếm được mở rộng hoàn toàn, chúng được kết hợp với các khóa mở rộng và số phân loại của phân hạch hạt nhân và hợp hạch 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 cấp sau khi sáp nhập gia đình đơn giản và 4673 bằng sáng chế đã 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 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 nộp dưới dạng PCT, trong đó các đơn xin cấp bằng sáng chế công nghệ của Trung Quốc đã tăng lên, đặc biệt là từ năm 2009, bước vào giai đoạn tăng trưởng nhanh chóng và Nhật Bản, Hoa Kỳ và Nga đã tiếp tục bố trí trong lĩnh vực này trong nhiều năm (Hình 1).

Biểu đồ 1 Xu hướng ứng dụng các bằng sáng chế công nghệ liên quan đến ứng dụng đất hiếm trong phân hạch hạt nhân và tổng hợp hạt nhân tại các quốc gia/khu vực

Có thể thấy từ việc phân tích các chủ đề kỹ thuật rằng ứng dụng đất hiếm trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân tập trung vào các nguyên tố nhiên liệu, chất phát quang, máy dò bức xạ, actinit, 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 sáng chế quan trọng của các nguyên tố đất hiếm trong vật liệu hạt nhân

Trong đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân và phản ứng phân hạch hạt nhân trong vật liệu hạt nhân rất mạnh, yêu cầu về vật liệu rất nghiêm ngặt. Hiện nay, lò phản ứng điện chủ yếu là lò phản ứng phân hạch hạt nhân, lò phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể được phổ biến rộng rãi sau 50 năm. Ứng dụng củađất hiếmcác nguyên 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,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 nơtron và trạng thái tới hạn của lò phản ứng hạt nhân

Trong lò phản ứng điện, phản ứng dư 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 đều mới, phản ứng còn lại là cao nhất. Tại thời điểm này, chỉ dựa vào việc tăng thanh điều khiển để bù cho phản ứng dư sẽ đưa thêm thanh điều khiển vào. Mỗi thanh điều khiển (hoặc bó thanh) tương ứng với việc đưa vào một cơ chế truyền động phức tạp. Một mặt, điều này làm tăng chi phí, mặt khác, việc mở lỗ trên đầu bình chịu áp suất có thể dẫn đến giảm độ bền kết cấu. Không chỉ không kinh tế mà còn không được phép có một lượng độ xốp và độ bền kết cấu nhất định trên đầu bình chịu áp suất. Tuy nhiên, nếu không tăng thanh điều khiển, cần phải tăng nồng độ độc tố bù hóa học (như axit boric) để bù cho phản ứng còn lại. Trong trường hợp này, nồng độ bo dễ vượt quá ngưỡng và hệ số nhiệt độ của chất làm chậm sẽ trở thành dương.

Để tránh các vấn đề nêu trên, người ta thường có thể kết hợp các chất độc dễ cháy, thanh kiểm soát và biện pháp kiểm soát bù trừ bằng hóa chất để kiểm soát.

（2） Là chất pha tạp để nâng cao hiệu suất của vật liệu cấu trúc lò phản ứng

Lò phản ứng yêu cầu các thành phần cấu trúc và thanh nhiên liệu phải có độ bền, khả năng chống ăn mòn và độ ổn định nhiệt cao ở mức độ 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 thành phần của lò phản ứng cũng có yêu cầu cao đối với 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 lò phản ứng hạt nhân.

① Hiệu ứng tinh chế: Nghiên cứu hiện tại cho thấy đất hiếm có hiệu ứng tinh chế 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 nhiệt độ cao. Các hợp chất 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: ngược lại, oxit, sunfua hoặc oxysunfua 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 điểm nóng chảy cao. Những tạp chất này có thể được sử dụng làm trung tâm hạt nhân không đồng nhất trong quá trình đông đặc của thép nóng chảy, do đó cải thiện hình dạng và cấu trúc của thép.

③ Hợp kim hóa vi mô: nếu tăng thêm đất hiếm, đất hiếm còn lại sẽ hòa tan trong thép sau khi hoàn thành quá trình tinh chế và biến chất nói trên. 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 đông đặc của thép nóng chảy, các nguyên tố đất hiếm được làm giàu ở ranh giới hạt, có thể làm giảm tốt hơn sự phân tách của các nguyên tố tạp chất ở ranh giới hạt, do đó tăng cường dung dịch rắn và đóng vai trò hợp kim hóa vi mô. Mặt khác, do đặc tính lưu trữ hydro của đất hiếm, chúng có thể hấp thụ hydro trong thép, do 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, do đó cải thiện tính ổn định của thép trong môi trường ăn mòn.

2). Nghiên cứu bằng sáng chế quan trọng

Bằng sáng chế chính: bằng sáng chế phát minh về thép hoạt hóa thấp được tăng cường bằng phân tán oxit và phương pháp chế tạo của Viện Kim loại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc

Tóm tắt bằng sáng chế: Cung cấp một loại thép hoạt hóa thấp được gia cường bằng phân tán oxit thích hợp cho lò phản ứng tổng hợp và phương pháp chế tạo của nó, đặc trưng ở chỗ tỷ lệ phần trăm các nguyên tố hợp kim trong tổng khối lượng của thép hoạt hóa 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, phun bột, nghiền bi năng lượng cao hợp kim mẹ vàHạt nano Y2O3bột hỗn hợp, chiết xuất bao bột, đúc đông đặc, cán nóng và xử lý nhiệt.

Phương pháp bổ sung đất hiếm: Thêm nanoY2O3các hạt thành bột nguyên tử hợp kim gốc để nghiền bi năng lượng cao, với môi trường nghiền bi là bi thép cứng hỗn hợp Φ 6 và Φ 10, 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 là 40-70 giờ và tốc độ quay là 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

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

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân, ngày càng có nhiều sự chú ý đến an toàn bức xạ hạt nhân và bảo vệ bức xạ hạt nhân. Để tăng cường bảo vệ bức xạ cho những người vận hành đã tham gia bảo dưỡng thiết bị bức xạ và cứu hộ tai nạn trong một thời gian dài, việc phát triển vật liệu composite che chắn nhẹ cho quần áo bảo hộ có ý nghĩa khoa học và giá trị kinh tế to lớn. Bức xạ neutron là phần quan trọng nhất của bức xạ lò phản ứng hạt nhân. Nhìn chung, hầu hết các neutron tiếp xúc trực tiếp với con người đã bị làm chậm lại thành các neutron năng lượng thấp sau hiệu ứng che chắn neutron của các vật liệu cấu trúc bên trong lò phản ứng hạt nhân. Các neutron năng lượng thấp sẽ va chạm với các hạt nhân có số nguyên tử thấp hơn một cách đàn hồi và tiếp tục được điều tiết. 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 khả năng che chắn neutron.

② Nghiên cứu sáng chế chính

Tính chất xốp và lai hữu cơ-vô cơ củanguyên tố đất hiếmgadoliniVật liệu khung hữu cơ kim loại gốc làm tăng khả năng tương thích của chúng với polyethylene, 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 chính: Viện Khoa học Vật liệu Hợp Phì, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, bằng sáng chế phát minh về vật liệu chắn composite khung hữu cơ gốc gadolinium và phương pháp chế tạo vật liệu này

Tóm tắt bằng sáng chế: Vật liệu che chắn composite khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium là vật liệu composite được hình thành bằng cách trộngadoliniVật liệu khung hữu cơ kim loại gốc với polyethylene theo tỷ lệ trọng lượng 2:1:10 và tạo thành thông qua quá trình bốc hơi dung môi hoặc ép nóng. Vật liệu che chắn composite khung hữu cơ kim loại gốc 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 kim loại hữu cơ gốc gadolinium khác nhau, rửa chúng bằng các phân tử nhỏ metanol, etanol hoặc nước bằng cách ly tâm và hoạt hóa chúng ở nhiệt độ cao trong điều kiện chân không để loại bỏ hoàn toàn các nguyên liệu thô chưa phản ứng còn lại trong các lỗ rỗng của vật liệu khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium; Vật liệu khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium được chuẩn bị theo từng bước được khuấy bằng dung dịch polyethylene ở tốc độ cao hoặc siêu âm, hoặc vật liệu khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium được chuẩn bị theo từng bước được trộn nóng chảy với polyethylene có trọng lượng phân tử cực cao ở nhiệt độ cao cho đến khi trộn hoàn toàn; Đặt hỗn hợp vật liệu khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium/polyethylene đã trộn đều vào khuôn và thu được vật liệu chắn composite khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium đã hình thành bằng cách sấy khô để thúc đẩy quá trình bay hơi dung môi hoặc ép nóng; Vật liệu chắn composite khung kim loại hữu cơ gốc gadolinium đã chuẩn bị có khả năng chịu nhiệt, tính chất cơ học và khả năng chắn neutron nhiệt vượt trội so với vật liệu polyethylene 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 chứa gadolinium, thu được bằng phản ứng trùng hợp phối hợpGd (NO3) 3 • 6H2O hoặc GdCl3 • 6H2Ovà phối tử cacboxylate hữu cơ; Kích thước của vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc gadolinium là 50nm-2 μm; Vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc gadolinium có nhiều hình thái khác nhau, bao gồm hình hạt, hình que hoặc hình kim.

（4） Ứng dụng củaScanditrong ngành Hóa học phóng xạ và hạt nhân

Kim loại scandium có độ ổn định nhiệt tốt và khả năng hấp thụ flo mạnh nên trở thành vật liệu không thể thiếu trong ngành năng lượng nguyên tử.

Bằng sáng chế chính: Viện Vật liệu Hàng không Bắc Kinh, Phát triển Hàng không Vũ trụ Trung Quốc, bằng sáng chế cho hợp kim nhôm kẽm magiê scandi và phương pháp chế tạo hợp kim này

Tóm tắt bằng sáng chế: Một nhôm kẽmhợp kim magie scandivà phương pháp chế tạo của nó. Thành phần hóa học và tỷ lệ phần trăm trọng lượng của hợp kim scandi nhôm kẽm magiê 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%, tạp chất khác đơn ≤ 0,05%, tạp chất khác tổng số ≤ 0,15% và lượng còn lại là Al. Cấu trúc vi mô của vật liệu hợp kim scandi nhôm kẽm magiê này đồng nhất và hiệu suất của nó ổn định, với độ bền kéo cực đại trên 400MPa, giới hạn chảy trên 350MPa và độ bền kéo trên 370MPa đối với các mối hàn. Các sản phẩm vật liệu có thể được sử dụng làm các thành phần cấu trúc trong hàng không vũ trụ, công nghiệp hạt nhân, giao thông vận tải, đồ dùng 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: Làm nóng chảy trong lò nấu chảy ở nhiệt độ 700 ℃ ~ 780 ℃; Bước 3: Tinh chế chất lỏng kim loại nóng 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, nên để đứng yên hoàn toàn; Bước 5: Sau khi đứng yên hoàn toàn, 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 xử lý ủ đồng nhất trên thỏi hợp kim trong lò nung, với nhiệt độ đồng nhất là 400 ℃ ~ 470 ℃; Bước 7: Bóc thỏi đã đồng nhất và thực hiện đùn nóng để sản xuất các cấu hình có độ dày thành trên 2,0mm. Trong quá trình đùn, phôi phải được duy trì ở nhiệt độ từ 350℃ đến 410℃; Bước 8: Ép biên dạng để xử lý làm nguội dung dịch, với nhiệt độ dung dịch là 460-480℃; Bước 9: Sau 72 giờ làm nguội dung dịch rắn, lão hóa cưỡng bức thủ công. Hệ thống lão hóa cưỡng bức 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, 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 trong 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 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.