Aplikasi Unsur Tanah Langka ing Bahan Nuklir

1. Definisi Bahan Nuklir

Ing pangertèn sing wiyar, materi nuklir minangka istilah umum kanggo bahan sing digunakake sacara eksklusif ing industri nuklir lan riset ilmiah nuklir, kalebu bahan bakar nuklir lan bahan teknik nuklir, yaiku bahan bakar non nuklir.

Bahan nuklir sing umum diarani minangka bahan sing digunakake ing macem-macem bagian reaktor, uga dikenal minangka bahan reaktor. Bahan-bahan reaktor kalebu bahan bakar nuklir sing ngalami fisi nuklir nalika dibom neutron, bahan cladding kanggo komponen bahan bakar nuklir, coolant, moderator neutron (moderator), bahan rod kontrol sing nyerep neutron kanthi kuat, lan bahan reflektif sing nyegah bocor neutron ing njaba reaktor.

2. Hubungan sing gegandhengan antarane sumber daya bumi langka lan sumber daya nuklir

Monazite, uga disebut phosphocerite lan phosphocerite, minangka mineral aksesoris umum ing watu beku asam menengah lan batuan metamorf. Monazite minangka salah sawijining mineral utama bijih logam bumi langka, lan uga ana ing sawetara watu sedimen. Coklat abang, kuning, kadhangkala kuning coklat, kanthi luster greasy, pembelahan lengkap, kekerasan Mohs 5-5,5, lan gravitasi spesifik 4,9-5,5.

Mineral bijih utama saka sawetara jinis placer celengan tanah jarang ing China yaiku monazite, utamané dumunung ing Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, lan He County, Guangxi. Nanging, ekstraksi sumber daya bumi langka jinis placer asring ora nduweni makna ekonomi. Watu tunggal asring ngemot unsur thorium refleksif lan uga minangka sumber utama plutonium komersial.

3, Ringkesan aplikasi rare earth ing fusi nuklir lan fisi nuklir adhedhasar analisis panoramik paten

Sawise tembung kunci unsur telusuran bumi langka ditambahi, digabungake karo kunci ekspansi lan nomer klasifikasi fisi nuklir lan fusi nuklir, lan ditelusuri ing basis data Incopt. Tanggal telusuran yaiku 24 Agustus 2020. 4837 paten dipikolehi sawise penggabungan kulawarga sing sederhana, lan 4673 paten ditemtokake sawise nyuda gangguan gawean.

Aplikasi paten bumi langka ing bidang fisi nuklir utawa fusi nuklir disebar ing 56 negara / wilayah, utamane ing Jepang, China, Amerika Serikat, Jerman lan Rusia, lan liya-liyane. , kang aplikasi teknologi paten Cina wis nambah, utamané wiwit 2009, ngetik tataran wutah kanthi cepet, lan Jepang, Amerika Serikat lan Rusia wis terus kanggo tata letak ing lapangan iki kanggo akeh. taun (Gambar 1).

Gambar 1 Tren aplikasi paten teknologi sing gegandhengan karo aplikasi rare earth ing fisi nuklir nuklir lan fusi nuklir ing negara/wilayah

Bisa dideleng saka analisis tema teknis yen aplikasi rare earth ing fusi nuklir lan fisi nuklir fokus ing unsur bahan bakar, scintillator, detektor radiasi, aktinida, plasma, reaktor nuklir, bahan pelindung, penyerapan neutron lan arah teknis liyane.

4. Aplikasi Khusus lan Riset Paten Kunci Unsur Tanah Langka ing Bahan Nuklir

Antarane, fusi nuklir lan reaksi fisi nuklir ing bahan nuklir kuat, lan syarat kanggo bahan ketat. Saiki, reaktor daya utamane minangka reaktor fisi nuklir, lan reaktor fusi bisa dipopulerkan kanthi skala gedhe sawise 50 taun. Aplikasi sakabumi langkaunsur ing bahan struktur reaktor; Ing lapangan kimia nuklir tartamtu, unsur bumi langka utamané digunakake ing rod kontrol; Kajaba iku,skandiumuga wis digunakake ing radiokimia lan industri nuklir.

（1） Minangka racun sing bisa diobong utawa rod kontrol kanggo nyetel level neutron lan kahanan kritis reaktor nuklir

Ing reaktor daya, reaktivitas residual awal inti anyar umume relatif dhuwur. Utamane ing tahap awal siklus pengisian bahan bakar pisanan, nalika kabeh bahan bakar nuklir ing inti anyar, reaktivitas sing isih ana paling dhuwur. Ing titik iki, mung gumantung ing rod kontrol nambah kanggo ijol kanggo reaktivitas ampas bakal introduce rod kontrol liyane. Saben rod kontrol (utawa rod bundle) cocog karo introduksi saka mekanisme driving Komplek. Ing tangan siji, iki nambah biaya, lan ing tangan liyane, mbukak bolongan ing sirah prau meksa bisa mimpin kanggo nyuda ing kekuatan struktural. Ora mung ora ekonomis, nanging uga ora diijini duwe porositas lan kekuatan struktural tartamtu ing sirah prau meksa. Nanging, tanpa nambah rod kontrol, perlu nambah konsentrasi racun kompensasi kimia (kayata asam borat) kanggo ngimbangi reaktivitas sing isih ana. Ing kasus iki, konsentrasi boron gampang ngluwihi ambang, lan koefisien suhu moderator bakal dadi positif.

Kanggo ngindhari masalah sing kasebut ing ndhuwur, kombinasi racun sing gampang kobong, rod kontrol, lan kontrol kompensasi kimia umume bisa digunakake kanggo kontrol.

（2） Minangka dopan kanggo nambah kinerja bahan struktural reaktor

Reaktor mbutuhake komponen struktural lan unsur bahan bakar supaya nduweni tingkat kekuatan tartamtu, tahan korosi, lan stabilitas termal sing dhuwur, lan uga nyegah produk fisi mlebu ing coolant.

1) Rare earth steel

Reaktor nuklir nduweni kondisi fisik lan kimia sing ekstrem, lan saben komponen reaktor uga nduweni syarat dhuwur kanggo baja khusus sing digunakake. Unsur tanah langka duweni efek modifikasi khusus ing baja, utamane kalebu pemurnian, metamorfisme, microalloying, lan peningkatan resistensi korosi. Rare earth ngemot baja uga akeh digunakake ing reaktor nuklir.

① Efek pemurnian: Riset sing ana saiki wis nuduhake yen lemah jarang duwe efek pemurnian sing apik ing baja molten ing suhu dhuwur. Iki amarga bumi langka bisa bereaksi karo unsur mbebayani kayata oksigen lan belerang ing baja cair kanggo ngasilake senyawa suhu dhuwur. Senyawa suhu dhuwur bisa diencerake lan dibuwang ing wangun inklusi sadurunge kondensasi baja molten, saéngga nyuda isi impurity ing baja molten.

② Metamorphism: ing tangan liyane, oksida, sulfida utawa oxysulfides sing diasilake dening reaksi bumi langka ing baja molten karo unsur mbebayani kayata oksigen lan belerang bisa sebagian ditahan ing baja molten lan dadi inklusi baja kanthi titik leleh dhuwur. . Inklusi kasebut bisa digunakake minangka pusat nukleasi heterogen sajrone solidifikasi baja molten, saéngga nambah wangun lan struktur baja.

③ Microalloying: yen Kajaba saka rare earth luwih tambah, isih rare earth bakal dipun bibaraken ing baja sawise dimurnèkaké ndhuwur lan metamorphism rampung. Amarga radius atom saka rare earth luwih gedhe tinimbang atom wesi, rare earth nduweni aktivitas permukaan sing luwih dhuwur. Sajrone proses solidifikasi baja molten, unsur bumi langka diperkaya ing wates gandum, sing bisa nyuda pamisahan unsur impurity ing wates gandum, saéngga nguatake solusi padhet lan muter peran microalloying. Saliyane, amarga karakteristik panyimpenan hidrogen saka lemah langka, bisa nyerep hidrogen ing baja, saéngga bisa ningkatake fenomena embrittlement hidrogen baja.

④ Ngapikake resistance karat: Kajaba saka unsur tanah langka uga bisa nambah resistance karat saka baja. Iki amarga tanah jarang duwe potensi korosi diri sing luwih dhuwur tinimbang baja tahan karat. Mulane, tambahan saka lemah langka bisa nambah potensial karat dhewe saka stainless steel, mangkono nambah stabilitas baja ing media korosif.

2). Sinau Paten Kunci

Paten kunci: paten penemuan saka dispersi oksida nguatake baja aktivasi rendah lan metode persiapane dening Institut Logam, Akademi Ilmu Pengetahuan Cina

Abstrak paten: Disedhiyakake minangka baja aktivasi rendah sing dikuatake dispersi oksida sing cocog kanggo reaktor fusi lan metode persiapan, ditondoi amarga persentase unsur campuran ing massa total baja aktivasi rendah yaiku: matriks yaiku 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%, lan 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Proses manufaktur: Fe-Cr-WV-Ta-Mn peleburan paduan ibu, atomisasi bubuk, penggilingan bola kanthi energi dhuwur saka paduan ibu lanNanopartikel Y2O3bubuk campuran, ekstraksi bubuk enveloping, cetakan solidifikasi, rolling panas, lan perawatan panas.

Metode penambahan tanah jarang: Tambah skala nanoY2O3partikel kanggo paduan induk bubuk atomized kanggo panggilingan werni dhuwur-energi, karo medium panggilingan werni Φ 6 lan Φ 10 werni campuran hard steel, karo atmosfer panggilingan werni 99,99% gas argon, rasio massa materi werni saka (8- 10): 1, wektu panggilingan werni 40-70 jam, lan kacepetan rotasi 350-500 r / min.

3）. Digunakake kanggo nggawe bahan perlindungan radiasi neutron

① Prinsip perlindungan radiasi neutron

Neutron minangka komponen inti atom, kanthi massa statis 1,675 × 10-27kg, yaiku 1838 kali massa elektronik. Jari-jarié kira-kira 0,8 × 10-15m, ukurané padha karo proton, padha karo sinar γ sing padha tanpa muatan. Nalika neutron sesambungan karo materi, utamane sesambungan karo pasukan nuklir ing jero inti, lan ora sesambungan karo elektron ing cangkang njaba.

Kanthi perkembangan cepet saka energi nuklir lan teknologi reaktor nuklir, liyane lan liyane manungsa waé wis mbayar kanggo safety radiation nuklir lan pangayoman radiation nuklir. Kanggo ngiyataken proteksi radiasi kanggo operator sing wis suwe nindakake pangopènan peralatan radiasi lan nylametake kacilakan, pentinge ilmiah lan nilai ekonomi kanggo ngembangake komposit pelindung sing entheng kanggo sandhangan protèktif. Radiasi neutron minangka bagéan paling penting saka radiasi reaktor nuklir. Umumé, akèh-akèhé neutron sing kontak langsung karo manungsa wis kalem dadi neutron sing kurang energi sawisé efek pelindung neutron saka bahan struktural ing jero reaktor nuklir. Neutron energi rendah bakal tabrakan karo inti kanthi nomer atom sing luwih murah kanthi elastis lan terus dimoderasi. Neutron termal sing dimoderasi bakal diserap dening unsur-unsur kanthi bagean salib penyerapan neutron sing luwih gedhe, lan pungkasane perisai neutron bakal entuk.

② Sinau Paten Utama

Sifat hibrida keropos lan organik-anorganik sakaunsur rare earthgadoliniumbahan rangka organik logam adhedhasar nambah kompatibilitas karo poliethelin, mromosiaken bahan komposit disintesis duwe isi gadolinium luwih lan sawur gadolinium. Isi gadolinium dhuwur lan sawur bakal langsung mengaruhi kinerja shielding neutron saka bahan komposit.

Paten kunci: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, paten panemuan saka bahan pelindung komposit kerangka organik adhedhasar gadolinium lan metode persiapane

Abstrak Paten: Bahan pelindung komposit kerangka organik logam berbasis gadolinium minangka bahan komposit sing dibentuk kanthi nyampurgadoliniumbahan kerangka organik logam kanthi poliethelin kanthi rasio bobot 2:1:10 lan dibentuk liwat penguapan pelarut utawa penet panas. Bahan pelindung komposit kerangka organik logam adhedhasar gadolinium duwe stabilitas termal sing dhuwur lan kemampuan pelindung neutron termal.

Proses Manufaktur: milih bedalogam gadoliniumuyah lan ligan organik kanggo nyiapake lan nyintesis macem-macem jinis bahan kerangka organik logam adhedhasar gadolinium, dicuci nganggo molekul cilik metanol, etanol, utawa banyu kanthi sentrifugasi, lan ngaktifake ing suhu dhuwur ing kahanan vakum kanggo mbusak sisa bahan mentah sing ora reaksi. ing pori-pori bahan kerangka organik logam adhedhasar gadolinium; Materi kerangka organologam adhedhasar gadolinium sing disiapake kanthi langkah diudhek karo lotion poliethelin kanthi kacepetan dhuwur, utawa sacara ultrasonik, utawa materi kerangka organologam adhedhasar gadolinium sing disiapake kanthi langkah dilebur dicampur karo poliethelin bobot molekul ultra-dhuwur ing suhu dhuwur nganti dicampur kanthi lengkap; Selehake seragam gadolinium adhedhasar logam balung Organic campuran bahan / polyethylene ing jamur, lan entuk kawangun gadolinium adhedhasar logam balung organik materi shielding gabungan dening pangatusan kanggo ningkataké penguapan solvent utawa panas mencet; Bahan pelindung komposit kerangka organik logam adhedhasar gadolinium wis ningkatake resistensi panas, sifat mekanik, lan kemampuan pelindung neutron termal sing unggul dibandhingake karo bahan poliethelin murni.

Mode tambahan tanah langka: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 utawa Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimer koordinasi kristal keropos sing ngemot gadolinium, sing diduweni dening polimerisasi koordinasi sakaGd (NO3) 3 • 6H2O utawa GdCl3 • 6H2Olan ligan karboksilat organik; Ukuran bahan kerangka organik logam adhedhasar gadolinium yaiku 50nm-2 μm; Bahan kerangka organik logam adhedhasar gadolinium duwe morfologi sing beda, kalebu bentuk granular, rod, utawa jarum.

(4) Aplikasi sakaSkandiuming radiokimia lan industri nuklir

Logam Scandium nduweni stabilitas termal sing apik lan kinerja panyerepan fluorine sing kuwat, dadi bahan sing ora bisa dipisahake ing industri energi atom.

Paten kunci: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, paten penemuan kanggo aluminium zinc magnesium scandium alloy lan cara persiapane

Abstrak paten: Seng aluminiumMagnesium skandium alloylan cara persiapane. Komposisi kimia lan persentase bobot saka aluminium zinc magnesium scandium alloy yaiku: 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%, impurities liyane tunggal ≤ 0,05%, impurities liyane total ≤ 0,15%, lan jumlah isih Al. Struktur mikro saka bahan alloy aluminium zinc magnesium scandium iki seragam lan kinerja stabil, kanthi kekuatan tarik pokok luwih saka 400MPa, kekuatan ngasilake luwih saka 350MPa, lan kekuatan tarik luwih saka 370MPa kanggo sambungan sing dilas. Produk materi bisa digunakake minangka unsur struktural ing aerospace, industri nuklir, transportasi, barang olahraga, senjata lan lapangan liyane.

proses Manufaktur: Langkah 1, bahan miturut komposisi alloy ndhuwur; Langkah 2: Nyawiji ing tungku peleburan ing suhu 700 ℃ ~ 780 ℃; Langkah 3: Refine Cairan logam rampung ilang, lan njaga suhu logam ing sawetara saka 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​sak panyulingan; Langkah 4: Sawise nyaring, kudu diijini mandheg; Langkah 5: Sawise ngadeg kanthi lengkap, miwiti casting, njaga suhu pawon ing kisaran 690 ℃ ~ 730 ℃, lan kacepetan casting 15-200mm / menit; Langkah 6: Nindakake perawatan annealing homogenization ing ingot alloy ing tungku dadi panas, karo suhu homogenization saka 400 ℃ ~ 470 ℃; Langkah 7: Peel ingot homogenized lan nindakake extrusion panas kanggo gawé profil karo kekandelan tembok liwat 2.0mm. Sajrone proses ekstrusi, billet kudu dijaga ing suhu 350 ℃ nganti 410 ℃; Langkah 8: Remet profil kanggo perawatan quenching solusi, kanthi suhu solusi 460-480 ℃; Langkah 9: Sawise 72 jam solusi padhet quenching, kanthi manual meksa tuwa. Sistem penuaan gaya manual yaiku: 90 ~ 110 ℃ / 24 jam + 170 ~ 180 ℃ / 5 jam, utawa 90 ~ 110 ℃ / 24 jam + 145 ~ 155 ℃ / 10 jam.

5. Ringkesan Panliten

Sakabèhé, lemah jarang digunakake ing fusi nuklir lan fisi nuklir, lan duwe tata letak paten ing arah teknis kayata eksitasi sinar-X, pambentukan plasma, reaktor banyu cahya, transuranium, uranil lan bubuk oksida. Kanggo bahan reaktor, bumi langka bisa digunakake minangka bahan struktur reaktor lan bahan insulasi keramik sing gegandhengan, bahan kontrol lan bahan perlindungan radiasi neutron.