יישום של יסודות כדור הארץ נדירים בחומרים גרעיניים

1、 הגדרה של חומרים גרעיניים

במובן הרחב, חומר גרעיני הוא המונח הכללי לחומרים המשמשים אך ורק בתעשייה הגרעינית ובמחקר מדעי גרעיני, לרבות דלק גרעיני וחומרי הנדסה גרעיניים, כלומר חומרי דלק לא גרעיניים.

החומרים הגרעיניים הנפוץ מתייחסים בעיקר לחומרים המשמשים בחלקים שונים של הכור, הידועים גם כחומרי כור. חומרי הכור כוללים דלק גרעיני שעובר ביקוע גרעיני בהפצצת נויטרונים, חומרי חיפוי לרכיבי דלק גרעיני, נוזלי קירור, ממתרי נויטרונים (מודרים), חומרי מוטות בקרה הסופגים מאוד נויטרונים וחומרים מחזירי אור המונעים דליפת נויטרונים מחוץ לכור.

2、 קשר משותף בין משאבי אדמה נדירים למשאבים גרעיניים

מונאזיט, הנקרא גם פוספוסריט ופוספוסריט, הוא מינרל עזר נפוץ בסלע חומצי ביניים ובסלע מטמורפי. מונאזיט הוא אחד המינרלים העיקריים של עפרות מתכת עפר נדירות, וקיים גם בסלע משקע כלשהו. אדום חום, צהוב, לפעמים צהוב חום, עם ברק שמנוני, מחשוף מלא, קשיות Mohs של 5-5.5 ומשקל סגולי של 4.9-5.5.

מינרל העפרות העיקרי של כמה מרבצי אדמה נדירים מסוג placer בסין הוא מונאזיט, הממוקם בעיקר בטונגצ'נג, הוביי, יואיאנג, הונאן, שנגראו, ג'יאנגשי, מנגאי, יונאן ומחוז He, גואנגשי. עם זאת, למיצוי משאבי אדמה נדירים מסוג placer לרוב אין משמעות כלכלית. אבנים בודדות מכילות לרוב יסודות תוריום רפלקסיביים והן גם המקור העיקרי לפלוטוניום מסחרי.

3、 סקירה כללית של יישום אדמה נדירה בהיתוך גרעיני ובביקוע גרעיני מבוסס על ניתוח פטנט פנורמי

לאחר שמילות המפתח של רכיבי חיפוש של כדור הארץ נדירים מורחבות במלואן, הן משולבות עם מפתחות ההרחבה ומספרי הסיווג של ביקוע גרעיני והיתוך גרעיני, ומחפשות במסד הנתונים של Incopt. תאריך החיפוש הוא 24 באוגוסט 2020. 4837 פטנטים הושגו לאחר מיזוג משפחתי פשוט, ו-4673 פטנטים נקבעו לאחר הפחתת רעש מלאכותית.

בקשות לפטנטים נדירים בתחום הביקוע הגרעיני או היתוך גרעיני מופצות ב-56 מדינות/אזורים, מרוכזים בעיקר ביפן, סין, ארצות הברית, גרמניה ורוסיה וכו'. מספר לא מבוטל של פטנטים מיושמים בצורה של PCT , אשר יישומי טכנולוגיית הפטנטים הסיניים מתרבים, במיוחד מאז 2009, נכנסים לשלב צמיחה מהיר, ויפן, ארה"ב ורוסיה המשיכו לפרוס בתחום זה במשך שנים רבות (איור 1).

איור 1 מגמת יישום של פטנטים טכנולוגיים הקשורים ליישום אדמה נדירה בביקוע גרעיני ובהיתוך גרעיני במדינות/אזורים

ניתן לראות מניתוח נושאים טכניים שהיישום של אדמה נדירה בהיתוך גרעיני ובביקוע גרעיני מתמקד ביסודות דלק, מנצנצים, גלאי קרינה, אקטינידים, פלזמות, כורים גרעיניים, חומרי מיגון, ספיגת נויטרונים וכיוונים טכניים נוספים.

4、 יישומים ספציפיים וחקר פטנטים מרכזיים של אלמנטים נדירים של כדור הארץ בחומרים גרעיניים

ביניהם, תגובות היתוך גרעיני וביקוע גרעיני בחומרים גרעיניים אינטנסיביות, והדרישות לחומרים קפדניות. כיום, כורי כוח הם בעיקר כורי ביקוע גרעיני, וכורי היתוך עשויים להיות פופולריים בקנה מידה גדול לאחר 50 שנה. היישום שלאדמה נדירהאלמנטים בחומרים מבניים של הכור; בתחומים כימיים גרעיניים ספציפיים, יסודות אדמה נדירים משמשים בעיקר במוטות בקרה; בנוסף,סקנדיוםשימש גם ברדיוכימיה ובתעשייה גרעינית.

（1） כרעל דליק או מוט בקרה כדי להתאים את רמת הנייטרונים והמצב הקריטי של הכור הגרעיני

בכורי כוח, התגובתיות השיורית הראשונית של ליבות חדשות היא בדרך כלל גבוהה יחסית. במיוחד בשלבים המוקדמים של מחזור התדלוק הראשון, כאשר כל הדלק הגרעיני בליבה חדש, התגובתיות הנותרת היא הגבוהה ביותר. בשלב זה, הסתמכות אך ורק על הגדלת מוטות בקרה כדי לפצות על תגובתיות שיורית תציג יותר מוטות בקרה. כל מוט בקרה (או צרור מוט) מתאים להכנסת מנגנון הנעה מורכב. מצד אחד, הדבר מייקר עלויות, ומצד שני, פתיחת חורים בראש כלי הלחץ עלולה להוביל לירידה בחוזק המבני. לא רק שזה לא חסכוני, אלא גם אסור לקבל כמות מסוימת של נקבוביות וחוזק מבני על ראש כלי הלחץ. עם זאת, מבלי להגדיל את מוטות הבקרה, יש צורך להגדיל את ריכוז הרעלים המפצים הכימיים (כגון חומצה בורית) כדי לפצות על התגובתיות הנותרת. במקרה זה, קל לריכוז הבור לעבור את הסף, ומקדם הטמפרטורה של המנחה יהפוך לחיובי.

כדי למנוע את הבעיות שהוזכרו לעיל, ניתן להשתמש בדרך כלל בשילוב של רעלים דליקים, מוטות בקרה ובקרת פיצוי כימי לשליטה.

（2） כחומר סימפטום לשיפור הביצועים של חומרים מבניים בכור

כורים דורשים רכיבים מבניים ואלמנטים של דלק בעלי רמה מסוימת של חוזק, עמידות בפני קורוזיה ויציבות תרמית גבוהה, תוך מניעת כניסת תוצרי ביקוע לנוזל הקירור.

1) פלדת אדמה נדירה

לכור הגרעיני תנאים פיסיקליים וכימיים קיצוניים, ולכל רכיב בכור יש גם דרישות גבוהות לפלדה המיוחדת המשמשת. ליסודות אדמה נדירים יש השפעות שינוי מיוחדות על פלדה, כולל טיהור, מטמורפיזם, מיקרוניזג ושיפור עמידות בפני קורוזיה. פלדות המכילות עפר נדירות נמצאות בשימוש נרחב גם בכורים גרעיניים.

① אפקט טיהור: מחקר קיים הראה שלאדמה נדירה יש השפעת טיהור טובה על פלדה מותכת בטמפרטורות גבוהות. הסיבה לכך היא שכדורי אדמה נדירים יכולים להגיב עם יסודות מזיקים כמו חמצן וגופרית בפלדה המותכת כדי ליצור תרכובות בטמפרטורה גבוהה. ניתן לזרז את התרכובות בטמפרטורה גבוהה ולשחרר אותן בצורה של תכלילים לפני שהפלדה המותכת מתעבה, ובכך להפחית את תכולת הטומאה בפלדה המותכת.

② מטמורפיזם: מצד שני, התחמוצות, הסולפידים או האוקסיסולפידים הנוצרים מתגובה של אדמה נדירה בפלדה המותכת עם אלמנטים 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 הצורה והמבנה של הפלדה.

③ מיקרו סגסוגת: אם תוספת של אדמה נדירה מוגברת עוד יותר, כדור הארץ הנדיר שנותר יומס בפלדה לאחר השלמת הטיהור והמטמורפיזם לעיל. מכיוון שהרדיוס האטומי של אדמה נדירה גדול מזה של אטום ברזל, לאדמה נדירה פעילות פני השטח גבוהה יותר. במהלך תהליך ההתמצקות של פלדה מותכת, אלמנטים של אדמה נדירה מועשרים בגבול התבואה, מה שיכול להפחית טוב יותר את הפרדת יסודות הטומאה בגבול התבואה, ובכך לחזק את התמיסה המוצקה ולמלא את התפקיד של סגסוגת מיקרו. מצד שני, בשל מאפייני אגירת המימן של כדורי אדמה נדירים, הם יכולים לספוג מימן בפלדה, ובכך למעשה לשפר את תופעת התפרקות המימן של הפלדה.

④ שיפור עמידות בפני קורוזיה: תוספת של יסודות אדמה נדירים יכולה גם לשפר את העמידות בפני קורוזיה של פלדה. הסיבה לכך היא שלאדמה נדירה פוטנציאל קורוזיה עצמי גבוה יותר מאשר נירוסטה. לכן, תוספת של כדורי אדמה נדירים יכולה להגביר את פוטנציאל הקורוזיה העצמית של נירוסטה, ובכך לשפר את יציבות הפלדה במדיה קורוזיבית.

2). מחקר פטנטים מרכזי

פטנט מפתח: פטנט המצאה של פלדה בהפעלה נמוכה מחוזקת לפיזור תחמוצת ושיטת ההכנה שלה על ידי המכון למתכות, האקדמיה הסינית למדעים

תקציר פטנט: מסופק פלדה מחוזקת בתפזורת תחמוצת המתאימה לכורי היתוך ולשיטת ההכנה שלה, המאופיינת בכך שאחוז יסודות הסגסוגת במסה הכוללת של הפלדה עם הפעלה נמוכה הוא: המטריצה ​​היא 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: התכה של סגסוגת אם Fe-Cr-WV-Ta-Mn, אטומיזציה של אבקה, כרסום כדורים באנרגיה גבוהה של סגסוגת האםננו-חלקיק Y2O3אבקה מעורבת, מיצוי עוטף אבקה, יציקת התמצקות, גלגול חם וטיפול בחום.

שיטת הוספת אדמה נדירה: הוסף ננומטריY2O3חלקיקים לאבקת סגסוגת האב אטומה לטחינת כדורים באנרגיה גבוהה, כאשר תווך הטחינה בכדור הוא Φ 6 ו- Φ 10 כדורי פלדה קשיחה מעורבת, עם אווירת טחינה כדורית של 99.99% גז ארגון, יחס מסה של חומר כדורי של (8- 10): 1, זמן טחינת כדור של 40-70 שעות, ומהירות סיבוב של 350-500 סל"ד לדקה.

3）. משמש לייצור חומרים להגנה מפני קרינה נויטרונים

① עקרון הגנת קרינת נויטרונים

ניוטרונים הם מרכיבים של גרעיני אטום, בעלי מסה סטטית של 1.675 × 10-27 ק"ג, שהיא פי 1838 מהמסה האלקטרונית. הרדיוס שלו הוא בערך 0.8 × 10-15 מ', דומה בגודלו לפרוטון, בדומה ל- γ קרניים אינן טעונות באותה מידה. כאשר נויטרונים מקיימים אינטראקציה עם החומר, הם מקיימים אינטראקציה בעיקר עם הכוחות הגרעיניים בתוך הגרעין, ואינם מקיימים אינטראקציה עם האלקטרונים במעטפת החיצונית.

עם ההתפתחות המהירה של אנרגיה גרעינית וטכנולוגיית כור גרעיני, יותר ויותר תשומת לב ניתנה לבטיחות קרינה גרעינית ולהגנה מפני קרינה גרעינית. על מנת לחזק את ההגנה מפני קרינה למפעילים העוסקים בתחזוקת ציוד קרינה וחילוץ תאונות מזה זמן רב, יש משמעות מדעית וערך כלכלי רב לפתח חומרי מיגון קלים לביגוד מגן. קרינת נויטרונים היא החלק החשוב ביותר בקרינת הכור הגרעיני. בדרך כלל, רוב הנייטרונים במגע ישיר עם בני אדם הואטו לנייטרונים בעלי אנרגיה נמוכה לאחר השפעת מיגון הנייטרונים של החומרים המבניים בתוך הכור הגרעיני. נויטרונים באנרגיה נמוכה יתנגשו בגרעינים בעלי מספר אטומי נמוך יותר באופן אלסטי וימשיכו להיות מתונים. הנייטרונים התרמיים המתונים ייספגו על ידי אלמנטים בעלי חתכים גדולים יותר של ספיגת נויטרונים, ולבסוף יושג מיגון נויטרונים.

② מחקר פטנטים מרכזי

התכונות ההיברידיות הנקבוביות והאורגניות-אנאורגניות שליסוד אדמה נדירגדוליניוםחומרי שלד אורגניים מתכתיים מבוססים מגבירים את התאימות שלהם לפוליאתילן, ומעודדים את החומרים המרוכבים המסונתזים בעלי תכולת גדוליניום ופיזור גדוליניום גבוהים יותר. תכולת גדוליניום ופיזור גבוהים ישפיעו ישירות על ביצועי מיגון הנייטרונים של החומרים המרוכבים.

פטנט מפתח: מכון חפי למדעי החומר, האקדמיה הסינית למדעים, פטנט המצאה של חומר מיגון מרוכב מסגרת אורגני מבוסס גדוליניום ושיטת ההכנה שלו

תקציר פטנט: חומר מיגון מורכב מתכת אורגנית על בסיס גדוליניום הוא חומר מרוכב שנוצר על ידי ערבובגדוליניוםחומר שלד אורגני מתכתי מבוסס עם פוליאתילן ביחס משקל של 2:1:10 ויצירתו באמצעות אידוי ממס או כבישה חמה. לחומרי מיגון מרוכבים מתכת אורגנית מבוססת גדוליניום יש יציבות תרמית גבוהה ויכולת מיגון נויטרונים תרמית.

תהליך ייצור: בחירה אחרתמתכת גדוליניוםמלחים וליגנדים אורגניים להכנה וסינתזה של סוגים שונים של חומרי שלד אורגניים מתכתיים מבוססי גדוליניום, שטיפתם עם מולקולות קטנות של מתנול, אתנול או מים באמצעות צנטריפוגה, והפעלתם בטמפרטורה גבוהה בתנאי ואקום כדי להסיר באופן מלא את שאריות חומרי הגלם שלא הגיבו. בנקבוביות של חומרי שלד אורגניים מתכת מבוסס גדוליניום; חומר השלד האורגני-מתכתי המבוסס על גדוליניום שהוכן בשלב הוא בוחשים עם תחליב פוליאתילן במהירות גבוהה, או על-קולית, או שחומר השלד האורגני-מתכתי המבוסס על גדוליניום שהוכן בשלב הוא נמס מעורבב עם פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה במיוחד בטמפרטורה גבוהה עד לערבוב מלא; מניחים את תערובת מתכת אורגנית על בסיס גדוליניום על בסיס גדוליניום / תערובת פוליאתילן בתבנית, והשיג את חומר המיגון המורכב מתכתי שלד אורגני על בסיס גדוליניום על ידי ייבוש כדי לקדם אידוי ממס או כבישה חמה; חומר המיגון המורכב מתכתי על בסיס גדוליניום על בסיס גדוליניום שיפר משמעותית את עמידות החום, תכונות מכניות ויכולת מיגון נויטרונים תרמית מעולה בהשוואה לחומרי פוליאתילן טהורים.

מצב תוספת אדמה נדירה: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 או Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 פולימר קואורדינציה גבישי נקבובי המכיל גדוליניום, המתקבל על ידי פילמור תיאום שלGd (NO3) 3 • 6H2O או GdCl3 • 6H2Oוליגנד קרבוקסילאט אורגני; הגודל של חומר שלד אורגני מתכתי על בסיס גדוליניום הוא 50 ננומטר-2 מיקרומטר; לחומרי שלד אורגניים מתכתיים על בסיס גדוליניום יש מורפולוגיות שונות, כולל צורות גרגיריות, בצורת מוט או בצורת מחט.

（4） יישום שלסקנדיוםברדיוכימיה ובתעשייה גרעינית

למתכת סקנדיום יש יציבות תרמית טובה וביצועי ספיגת פלואור חזקים, מה שהופך אותה לחומר הכרחי בתעשיית האנרגיה האטומית.

פטנט מפתח: פיתוח תעופה וחלל בסין, המכון לחומרי אווירונאוטיקה בבייג'ינג, פטנט המצאה לסגסוגת סקנדיום מגנזיום אלומיניום אבץ ושיטת ההכנה שלה

תקציר פטנט: אבץ אלומיניוםסגסוגת סקנדיום מגנזיוםושיטת ההכנה שלו. ההרכב הכימי ואחוז המשקל של סגסוגת אלומיניום אבץ מגנזיום סקנדיום הם: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, זיהומים Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, אחר זיהומים בודדים ≤ 0.05%, זיהומים אחרים בסך הכל ≤ 0.15%, והכמות הנותרת היא Al. המבנה המיקרו של חומר אלומיניום אבץ מגנזיום סקנדיום זה אחיד וביצועיו יציבים, עם חוזק מתיחה אולטימטיבי של מעל 400MPa, חוזק תפוקה של מעל 350MPa וחוזק מתיחה של מעל 370MPa עבור חיבורים מרותכים. המוצרים החומריים יכולים לשמש כאלמנטים מבניים בתעופה וחלל, תעשייה גרעינית, 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: חידד את נוזל המתכת המומס לחלוטין, ושמור על טמפרטורת המתכת בטווח של 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​במהלך הזיקוק; שלב 4: לאחר הזיקוק, יש לאפשר לו לעמוד במקום מלא; שלב 5: לאחר עמידה מלאה, התחל את היציקה, שמור על טמפרטורת התנור בטווח של 690 ℃ ~ 730 ℃, ומהירות היציקה היא 15-200 מ"מ לדקה; שלב 6: בצע טיפול חישול הומוגניות על מטיל הסגסוגת בכבשן החימום, עם טמפרטורת הומוגניזציה של 400 ℃ ~ 470 ℃; שלב 7: קלפו את המטיל ההומוגני ובצעו שחול חם לייצור פרופילים עם עובי דופן של מעל 2.0 מ"מ. במהלך תהליך האקסטרוזיה, יש לשמור על הבילט בטמפרטורה של 350 ℃ עד 410 ℃; שלב 8: סחוט את הפרופיל לטיפול במרווה תמיסה, עם טמפרטורת תמיסה של 460-480 ℃; שלב 9: לאחר 72 שעות של כיבוי תמיסה מוצקה, כפה ידנית את ההזדקנות. מערכת ההזדקנות הידנית היא: 90~110 ℃/24 שעות+170~180 ℃/5 שעות, או 90~110 ℃/24 שעות+145~155 ℃/10 שעות.

5、 סיכום מחקר

ככלל, כדורי אדמה נדירים נמצאים בשימוש נרחב בהיתוך גרעיני ובביקוע גרעיני, ויש להם פריסות פטנטים רבים בכיוונים טכניים כגון עירור קרני רנטגן, היווצרות פלזמה, כור מים קלים, טרנסאורניום, אורניל ואבקת תחמוצת. באשר לחומרי כור, כדורי אדמה נדירים יכולים לשמש כחומרי מבנה של הכור וחומרי בידוד קרמיים נלווים, חומרי בקרה וחומרי הגנה מפני קרינת נויטרונים.