יישום יסודות אדמה נדירים בחומרים גרעיניים

1 、 הגדרת חומרים גרעיניים

במובן הרחב, חומר גרעיני הוא המונח הכללי לחומרים המשמשים אך ורק בתעשייה הגרעינית ובמחקר מדעי גרעיני, כולל דלק גרעיני וחומרים הנדסיים גרעיניים, כלומר חומרי דלק לא גרעיניים.

המופנים לרוב לחומרים גרעיניים מתייחסים בעיקר לחומרים המשמשים בחלקים שונים של הכור, המכונה גם חומרי כור. חומרי הכורים כוללים דלק גרעיני העובר ביקוע גרעיני תחת הפצצת נויטרונים, חומרי חיפוי לרכיבי דלק גרעיניים, נוזלי קירור, מנחי נויטרונים (מנחים), חומרי מוט בקרה הסופגים מאוד נויטרונים וחומרים רפלקטיביים המונעים דליפת נויטרון מחוץ לרסן.

2 、 קשר משויך בין משאבי אדמה נדירים למשאבים גרעיניים

מונאזיט, המכונה גם פוספוקרייט ופוספוקרייט, הוא מינרל אביזר נפוץ בסלע חומצי ביניים חומץ וסלע מטמורפי. מונאזיט הוא אחד המינרלים העיקריים של עפרות מתכת אדמה נדירות, וגם קיים באיזה סלע משקע. אדום חום, צהוב, לפעמים צהוב חום, עם ברק שמנוני, מחשוף מוחלט, קשיות של MOHS של 5-5.5 וכוח הכבידה הספציפי של 4.9-5.5.

המינרל העיקרי של עפרות של כמה מרבצי אדמה נדירים מסוג Placer בסין הוא מונאזיט, הממוקם בעיקר בטונצ'נג, הובי, יואיאנג, הונאן, שנגראו, ג'יאנגשי, מנגאי, יונאן, והוא מחוז, גואנגשי. עם זאת, למיצוי של סוג של Placer Typer Rare Adters אין לעתים קרובות משמעות כלכלית. אבנים בודדות מכילות לעתים קרובות אלמנטים של תוריום רפלקסיבי והם גם המקור העיקרי לפלוטוניום מסחרי.

3 、 סקירה כללית של יישום אדמה נדיר באיחוי גרעיני ובביקוע גרעיני המבוסס על ניתוח פנורמי פטנט

לאחר מורחבים במלוא מילות המפתח של אלמנטים חיפושיים נדירים של כדור הארץ, הן משולבות עם מפתחות ההתרחבות ומספרי הסיווג של ביקוע גרעיני ואיחוי גרעיני, וחיפשו במאגר Incopt. תאריך החיפוש הוא 24 באוגוסט 2020. 4837 פטנטים התקבלו לאחר מיזוג משפחתי פשוט, ו -4673 פטנטים נקבעו לאחר הפחתת רעש מלאכותית.

יישומי פטנטים נדירים של כדור הארץ בתחום ביקוע גרעיני או היתוך גרעיני מופצים ב 56 מדינות/אזורים, בעיקר מרוכזים ביפן, סין, ארצות הברית, גרמניה ורוסיה, וכו '. מספר ניכר של פטנטים מיושמים בצורת צמיחה מהירה, ובמגרש רוסיה, מתוכם יישומי טכנולוגיית הפטנט הסינית היו גדלים מאז 2009, מאז 2009, ומגרש רוסיה. 1).

איור 1 מגמת יישום של פטנטים טכנולוגיים הקשורים ליישום כדור הארץ נדיר בביקוע גרעיני גרעיני ואיחוי גרעיני במדינות/אזורים

ניתן לראות מניתוח נושאים טכניים כי יישום כדור הארץ הנדיר באיחוי גרעיני ובביקוע גרעיני מתמקד באלמנטים של דלק, סינטילטורים, גלאי קרינה, אקטינידים, פלזמות, כורים גרעיניים, חומרי מיגון, ספיגת נויטרון וכיוונים טכניים אחרים.

4 、 יישומים ספציפיים ומחקר פטנטים מפתח של אלמנטים אדמה נדירים בחומרים גרעיניים

ביניהם, היתוך גרעיני ותגובות ביקוע גרעיניות בחומרים גרעיניים הם אינטנסיביים, והדרישות לחומרים מחמירים. נכון לעכשיו, כורי הכוח הם בעיקר כורי ביקוע גרעיניים, וכורי פיוז'ן עשויים להיות פופולריים בקנה מידה גדול לאחר 50 שנה. היישום שלכדור הארץ הנדיראלמנטים בחומרים מבניים של הכור; בשדות כימיים גרעיניים ספציפיים, יסודות כדור הארץ נדירים משמשים בעיקר במוטות בקרה; בנוסף,סקנדיוםשימש גם בתעשייה רדיוכימיה ותעשיית גרעין.

A

אצל כורי כוח, התגובה הראשונית הנותרת של ליבות חדשות היא בדרך כלל גבוהה יחסית. במיוחד בשלבים המוקדמים של מחזור התדלוק הראשון, כאשר כל הדלק הגרעיני בליבה הוא חדש, התגובה שנותרה היא הגבוהה ביותר. בשלב זה, הסתמכות אך ורק על הגדלת מוטות הבקרה כדי לפצות על תגובתיות שיורית תכניס יותר מוטות בקרה. כל מוט בקרה (או צרור מוט) תואם את הצגת מנגנון נהיגה מורכב. מצד אחד, הדבר מגדיל את העלויות, ומצד שני, פתיחת חורים בראש כלי הלחץ יכולה להוביל לירידה בחוזק המבני. לא רק שהוא לא כלכלי, אלא שהוא גם אסור להיות בעל כמות מסוימת של נקבוביות וכוח מבני על ראש כלי הלחץ. עם זאת, מבלי להגדיל את מוטות הבקרה, יש צורך להגדיל את ריכוז הרעלים המפצים הכימיים (כמו חומצה בורית) כדי לפצות על התגובה שנותרה. במקרה זה, קל לריכוז בורון לחרוג מהסף, ומקדם הטמפרטורה של המנחה יהפוך לחיובי.

כדי להימנע מהבעיות שהוזכרו לעיל, בדרך כלל ניתן להשתמש בשילוב של רעלים דליקים, מוטות בקרה ובקרת פיצויים כימיים לבקרה.

C

הכורים דורשים רכיבים מבניים ואלמנטים של דלק כדי לקבל רמה מסוימת של חוזק, עמידות בפני קורוזיה ויציבות תרמית גבוהה, ובמקביל למנוע את כניסת מוצרי הביקוע לנוזל הקירור.

1). הפעל פלדה אדמה

לכור הגרעיני יש תנאים פיזיים וכימיים קיצוניים, ולכל רכיב בכור יש גם דרישות גבוהות לפלדה המיוחדת המשמשת. לאלמנטים נדירים של כדור הארץ יש השפעות שינוי מיוחדות על פלדה, בעיקר כולל טיהור, מטמורפיזם, מיקרו -סגסוגת ושיפור עמידות בפני קורוזיה. פלדות נדירות המכילות כדור הארץ נמצאות בשימוש נרחב גם בכורים גרעיניים.

① אפקט טיהור: מחקרים קיימים הראו כי לאדמות נדירות יש השפעה טובה על טיהור על פלדה מותכת בטמפרטורות גבוהות. הסיבה לכך היא שאדמות נדירות יכולות להגיב עם אלמנטים מזיקים כמו חמצן וגופרית בפלדה המותכת כדי לייצר תרכובות בטמפרטורה גבוהה. ניתן לזרז ולשחרר את התרכובות הטמפרטורות הגבוהות בצורה של תכלילים לפני שהפלדה המותכת מתעוותת, ובכך להפחית את תכולת הטומאה בפלדה המותכת.

② מטמורפיזם: מצד שני, תחמוצות, סולפידים או אוקסיסולפידים הנוצרים כתגובה של כדור הארץ הנדיר בפלדה המותכת עם יסודות מזיקים כמו חמצן וגופרית יכולים להישמר חלקית בפלדה המותכת ולהפוך לתכלילים של פלדה עם נקודת התכה גבוהה. תכלילים אלה יכולים לשמש כמרכזי גרעין הטרוגניים במהלך התמצקות הפלדה המותכת, ובכך לשפר את צורת ומבנה הפלדה.

③ מיקרו -סגסוגת: אם תוספת האדמה הנדירה מוגברת עוד יותר, האדמה הנדירה שנותרה תומס בפלדה לאחר סיום הטיהור והמטמורפיזם לעיל. מכיוון שהרדיוס האטומי של כדור הארץ הנדיר גדול מזה של אטום הברזל, לכדור הארץ הנדיר יש פעילות גבוהה יותר של פני השטח. במהלך תהליך ההתמצקות של פלדה מותכת, יסודות אדמה נדירים מועשרים בגבול התבואה, מה שיכול להפחית טוב יותר את ההפרדה של יסודות טומאה בגבול התבואה, ובכך לחזק את הפיתרון המוצק ולשחק את תפקיד המיקרו -סגסוגת. מצד שני, בשל מאפייני אחסון המימן של אדמות נדירות, הם יכולים לספוג מימן בפלדה, ובכך לשפר ביעילות את תופעת הפלדה של מימן.

④ שיפור עמידות בפני קורוזיה: תוספת של יסודות אדמה נדירים יכולה גם לשפר את עמידות הקורוזיה של הפלדה. הסיבה לכך היא שאדמות נדירות יש פוטנציאל קורוזיה עצמית גבוהה יותר מאשר נירוסטה. לפיכך, תוספת של אדמות נדירות יכולה להגביר את פוטנציאל הקורוזיה העצמית של נירוסטה, ובכך לשפר את יציבות הפלדה בתקשורת מאכלת.

2). לימוד פטנטים מפתח

פטנט מפתח: פטנט המצאה של פיזור תחמוצת חיזק את פלדת ההפעלה הנמוכה ושיטת ההכנה שלה על ידי מכון המתכות, האקדמיה הסינית למדעים

Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the matrix is ​​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%ו- 0.05%≤ y2O3 ≤ 0.5%.

תהליך ייצור: Fe-Cr-WV-TA-MN סגסוגת אם סגסוגת, אטומיזציה של אבקה, כרסום כדור אנרגיה גבוהה של סגסוגת האם וY2O3 חלקיקי ננואבקה מעורבת, מיצוי עטוף אבקה, דפוס התמצקות, גלגול חם וטיפול בחום.

שיטת תוספת אדמה נדירה: הוסף ננומטוסY2O3חלקיקים לסגסוגת ההורים אבקת מרססת לטחינת כדור אנרגיה גבוהה, כאשר מדיום כרסום הכדור הוא φ 6 ו- φ 10 כדורי פלדה קשיחים מעורבים, עם אווירת טחינה של כדור של 99.99% גז ארגון, יחס מסה של חומר כדור של (8-10): 1, זמן כרסום כדור של 40-70 שעות, ומהירות סיבוב של 350-500.

3 זק. משמש לייצור חומרי הגנת קרינת נויטרונים

① עקרון הגנת קרינת הנויטרונים

נויטרונים הם רכיבים של גרעינים אטומיים, עם מסה סטטית של 1.675 × 10-27 ק"ג, שהוא פי 1838 מהמסה האלקטרונית. הרדיוס שלו הוא בערך 0.8 × 10-15 מ ', הדומה בגודלו לפרוטון, בדומה לקרני γ אינן טעונות באותה מידה. כאשר נויטרונים מתקשרים עם חומר, הם מקיימים בעיקר אינטראקציה עם הכוחות הגרעיניים בתוך הגרעין, ואינם מתקשרים עם האלקטרונים במעטפת החיצונית.

עם התפתחות מהירה של אנרגיה גרעינית וטכנולוגיית הכורים הגרעיניים, הוקדשה יותר ויותר תשומת לב לבטיחות קרינה גרעינית והגנה על קרינה גרעינית. על מנת לחזק את הגנת הקרינה למפעילים העוסקים בתחזוקת ציוד קרינה והצלת תאונות במשך זמן רב, ישנה משמעות מדעית רבה וערך כלכלי לפיתוח מרוכבים מגנים קלים לבגדי מגן. קרינת נויטרון היא החלק החשוב ביותר בקרינת הכורים הגרעיניים. באופן כללי, מרבית הנויטרונים במגע ישיר עם בני אדם האטו לנויטרונים בעלי אנרגיה נמוכה לאחר השפעת מיגון הנויטרונים של החומרים המבניים בתוך הכור הגרעיני. נויטרונים באנרגיה נמוכה יתנגשו עם גרעינים עם מספר אטומי נמוך יותר באופן אלסטי וימשיכו להתמתן. הנויטרונים התרמיים המתווכים ייקלטו על ידי אלמנטים עם חתכים גדולים יותר של ספיגת נויטרונים, ולבסוף תושג מיגון נויטרונים.

② מחקר פטנטים מפתח

המאפיינים ההיברידיים הנקבוביים והאורגניים-אורגניים שלאלמנט אדמה נדירגאדוליניוםחומרי שלד אורגני מתכת מבוסס מגדילים את תאימותם לפוליאתילן, ומקדמים את החומרים המורכבים המסונתזים כדי לקבל תכולת גדוליניום גבוהה יותר ופיזור גדוליניום. תכולת הגדוליניום הגבוהה והפיזור ישפיעו ישירות על ביצועי מיגון הנויטרונים של החומרים המורכבים.

פטנט מפתח: מכון Hefei למדע החומרים, האקדמיה הסינית למדעים, פטנט המצאה של חומר מיגון מורכב מסגרת אורגנית מבוססת גאדוליניום ושיטת ההכנה שלו

תקציר פטנט: חומר מיגון מורכב של שלד מתכת מבוסס גדוליניום הוא חומר מורכב שנוצר על ידי ערבובגאדוליניוםמבוסס חומר שלד אורגני מתכת עם פוליאתילן ביחס משקל של 2: 1: 10 ויוצר אותו באמצעות אידוי ממס או לחיצה חמה. חומרי מיגון של שלד אורגני מבוסס גאדוליניום יש יציבות תרמית גבוהה ויכולת הגנה על נויטרונים תרמיים.

תהליך ייצור: בחירת שונהמתכת גאדוליניוםמלחים וליגנדים אורגניים להכין ולסנתז סוגים שונים של חומרי שלד אורגני מתכתית על בסיס גאדוליניום, שטיפתם במולקולות קטנות של מתנול, אתנול או מים על ידי צנטריפוגה, והפעלתם בטמפרטורה גבוהה בתנאי ואקום באופן מלא כדי להסיר באופן מלא את חומרי הגלם הלא -מגיבים שנותרו בכתובת הנוסף של גדוליניום גדוליניום; חומר השלד האורגני-מטאלי מבוסס גאדוליניום שהוכן במדרגה מוקרב עם קרם פוליאתילן במהירות גבוהה, או באופן אולטרה-אדוני, או חומר השלד האורגני-מטאלי מבוסס גאדוליניום שהוכן בשלב הוא נמס מעורבב עם פוליאתילן מולקולרי גבוה אולטרה-גבוה בטמפרטורה גבוהה ועד מעורב במלואו; הניחו את חומר השלד האורגני המתכת המעורב בגדוליניום מעורב באופן אחיד/תערובת פוליאתילן בתבנית, וקבלו את חומר המגן האורגני המתכוך הגדוליניום המתכוך מתכת אורגני על ידי ייבוש לקידום אידוי ממסים או לחיצה חמה; חומר המגן האורגני המתכת המוכן של גאדוליניום המוכן, שיפר משמעותית את עמידות החום, תכונות מכניות ויכולת מיגון נויטרונים תרמית מעולה בהשוואה לחומרים פוליאתילן טהורים.

מצב תוספת אדמה נדיר: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 או GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 פולימר תיאום גבישי נקבובי המכיל גאדוליניום, המתקבל על ידי פילמור תיאום של פילמור של פילמור של תיאוםGD (NO3) 3 • 6H2O או GDCL3 • 6H2Oוליגנד קרבוקסילאט אורגני; גודל חומר השלד האורגני המתכת מבוסס גאדוליניום הוא 50nm-2 מיקרומטר ； חומרי שלד אורגני מבוסס גאדוליניום יש מורפולוגיות שונות, כולל צורות גרגריות, בצורת מוט או בצורת מחט.

（4） יישום שלסקנדיוםבתעשייה רדיוכימיה וגרעין

לסקנדיום מתכת יש יציבות תרמית טובה וביצועי ספיגת פלואור חזקים, מה שהופך אותו לחומר חיוני בתעשיית האנרגיה האטומית.

פטנט מפתח: פיתוח פיתוח וחלל וחלל המכון לבייג'ינג לחומרים אווירונאוטיים, פטנט המצאה לסגסוגת סקסיום מגנזיום אבץ אלומיניום ושיטת ההכנה שלו

תקציר פטנט: אבץ אלומיניוםסגסוגת סקאנדיום מגנזיוםושיטת ההכנה שלה. אחוז ההרכב הכימי ואחוז המשקל של סגסוגת הסקנדיום של מגנזיום אבץ אלומיניום הם: MG 1.0%-2.4%, Zn 3.5%-5.5%, SC 0.04%-0.50%, Zr 0.04%-0.35%, מיומדים אחרים Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, ≤ ≤ indutors אחרים Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 0.2%0.25%0.4%0.4- 0.4%0.25%אחרים 0. 0.15%, והסכום שנותר הוא אל. המבנה המיקרו של חומר סגסוגת סגסוגת מגנזיום אלומיניום אלומיניום זה אחיד וביצועיו יציבים, עם חוזק מתיחה אולטימטיבי של מעל 400MPA, חוזק תשואה של מעל 350MPA, וחוזק מתיחה של מעל 370MPA למפרקים מרותכים. המוצרים החומריים יכולים לשמש כאלמנטים מבניים בתחום התעופה והחלל, התעשייה הגרעינית, תחבורה, מוצרי ספורט, נשק ותחומים אחרים.

תהליך ייצור: שלב 1, מרכיב על פי הרכב הסגסוגת לעיל; שלב 2: נמס בכבשן ההתכה בטמפרטורה של 700 ℃ ~ 780 ℃; שלב 3: צמצם את נוזל המתכת המומס לחלוטין, ושמור על טמפרטורת המתכת בטווח של 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​במהלך הזיקוק; שלב 4: לאחר הזיקוק, יש לאפשר לו במלואו לעמוד בשקט; שלב 5: לאחר עמידה מלאה, התחל ליהוק, שמור על טמפרטורת הכבשן בטווח של 690 ℃ ~ 730 ℃, ומהירות היציקה היא 15-200 מ"מ/דקה; שלב 6: בצע טיפול בחישול הומוגניזציה במטיל הסגסוגת בתנור החימום, עם טמפרטורת הומוגניזציה של 400 ℃ ~ 470 ℃; שלב 7: קלף את המטיל ההומוגני וביצע שחול חם כדי לייצר פרופילים בעובי קיר של מעל 2.0 מ"מ. במהלך תהליך שחול, יש לשמור על החוברת בטמפרטורה של 350 עד 410 ℃; שלב 8: סחט את הפרופיל לטיפול מרווה בפתרונות, עם טמפרטורת תמיסה של 460-480 ℃; שלב 9: לאחר 72 שעות של פתרונות מוצקים מרווה, מכריח ידנית הזדקנות. מערכת הזדקנות הכוח הידני היא: 90 ~ 110 ℃/24 שעות+170 ~ 180 ℃/5 שעות, או 90 ~ 110 ℃/24 שעות+145 ~ 155 ℃/10 שעות.

5 、 סיכום מחקר

בסך הכל, אדמות נדירות נמצאות בשימוש נרחב באיחוי גרעיני ובביקוע גרעיני, ויש להם פריסות פטנטים רבות לכיוונים טכניים כמו עירור רנטגן, היווצרות פלזמה, כור מים קלים, טרנסורניום, אורניל ואבקת תחמוצת. באשר לחומרי הכורים, אדמות נדירות יכולות לשמש כחומרים מבניים של כור וחומרי בידוד קרמיקה קשורים, חומרי בקרה וחומרי הגנת קרינת נויטרונים.