יישום של יסודות אדמה נדירים בחומרים גרעיניים

1. הגדרת חומרים גרעיניים

במובן הרחב, חומר גרעיני הוא מונח כללי לחומרים המשמשים אך ורק בתעשייה הגרעינית ובמחקר מדעי גרעיני, כולל דלק גרעיני וחומרים להנדסה גרעינית, כלומר חומרים שאינם דלק גרעיני.

המונחים הנפוצים "חומרים גרעיניים" מתייחסים בעיקר לחומרים המשמשים בחלקים שונים של הכור, הידועים גם כחומרי כור. חומרי כור כוללים דלק גרעיני שעובר ביקוע גרעיני תחת הפצצת נויטרונים, חומרי ציפוי לרכיבי דלק גרעיני, נוזלי קירור, מווסתי נויטרונים (ממתנים), חומרי מוט בקרה הבולעים נויטרונים חזק וחומרים מחזירי אור המונעים דליפת נויטרונים מחוץ לכור.

2. קשר משותף בין משאבי אדמה נדירה ומשאבים גרעיניים

מונאזיט, המכונה גם פוספוצריט ופוספוצריט, הוא מינרל עזר נפוץ בסלע מגמטי חומצי בינוני ובסלע מותמרפי. מונאזיט הוא אחד המינרלים העיקריים של עפרות מתכות נדירות, והוא קיים גם בסלעי משקע מסוימים. אדום חום, צהוב, לפעמים צהוב חום, עם ברק שומני, ביקוע מלא, קשיות מוס של 5-5.5, ומשקל סגולי של 4.9-5.5.

מינרל העפרה העיקרי במרבצי אדמה נדירה מסוג placer בסין הוא מונזיט, הממוקם בעיקר בטונגצ'נג, הוביי, יואיאנג, חונאן, שאנגראו, ג'יאנגשי, מנגאי, יונאן ומחוז ההה בגואנגשי. עם זאת, להפקת משאבי אדמה נדירה מסוג placer לרוב אין משמעות כלכלית. אבנים בודדות מכילות לעתים קרובות יסודות תוריום רפלקסיביים והן גם המקור העיקרי לפלוטוניום מסחרי.

3. סקירה כללית של יישום אדמה נדירה בהיתוך גרעיני וביקוע גרעיני המבוססת על ניתוח פנורמי של פטנטים

לאחר שמילות המפתח של אלמנטים של חיפוש אדמה נדירה הורחבו במלואן, הן משולבות עם מפתחות ההרחבה ומספרי הסיווג של ביקוע גרעיני והיתוך גרעיני, ומבוצעות חיפוש במסד הנתונים של Incopt. תאריך החיפוש הוא 24 באוגוסט 2020. 4837 פטנטים התקבלו לאחר מיזוג משפחות פשוט, ו-4673 פטנטים נקבעו לאחר הפחתת רעש מלאכותית.

בקשות לפטנטים על אדמה נדירה בתחום הביקוע הגרעיני או היתוך גרעיני מפוזרות ב-56 מדינות/אזורים, בעיקר ביפן, סין, ארצות הברית, גרמניה ורוסיה וכו'. מספר ניכר של פטנטים מוגשות בצורת PCT, מתוכם בקשות לטכנולוגיות פטנט סיניות נמצאות במגמת עלייה, במיוחד מאז 2009, כשהן נכנסות לשלב צמיחה מהיר, ויפן, ארצות הברית ורוסיה ממשיכות לעסוק בתחום זה במשך שנים רבות (איור 1).

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

מניתוח הנושאים הטכניים ניתן לראות כי היישום של אדמה נדירה בהיתוך גרעיני וביקוע גרעיני מתמקד ביסודות דלק, סינטילטורים, גלאי קרינה, אקטינידים, פלזמות, כורים גרעיניים, חומרי מיגון, בליעת נויטרונים וכיוונים טכניים אחרים.

4、יישומים ספציפיים ומחקר פטנטים מרכזי של יסודות אדמה נדירים בחומרים גרעיניים

ביניהם, תגובות היתוך גרעיני וביקוע גרעיני בחומרים גרעיניים הן אינטנסיביות, והדרישות לחומרים מחמירות. כיום, כורי כוח הם בעיקר כורי ביקוע גרעיני, וכורי היתוך עשויים להיות פופולריים בקנה מידה גדול לאחר 50 שנה. היישום שלאדמה נדירהיסודות בחומרי מבנה של כורים; בתחומים ספציפיים של כימיה גרעינית, יסודות אדמה נדירים משמשים בעיקר במוטות בקרה; בנוסף,סקנדיוםשימש גם ברדיוכימיה ובתעשייה הגרעינית.

(1) כרעל דליק או מוט בקרה להתאמת רמת הנויטרונים והמצב הקריטי של כור גרעיני

בכורי כוח, הריאקטיביות השיורית הראשונית של ליבות חדשות היא בדרך כלל גבוהה יחסית. במיוחד בשלבים המוקדמים של מחזור התדלוק הראשון, כאשר כל הדלק הגרעיני בליבה חדש, הריאקטיביות הנותרת היא הגבוהה ביותר. בשלב זה, הסתמכות אך ורק על הגדלת מוטות הבקרה כדי לפצות על הריאקטיביות השיורית תכניס יותר מוטות בקרה. כל מוט בקרה (או צרור מוטות) מתאים להכנסת מנגנון הנעה מורכב. מצד אחד, זה מגדיל את העלויות, ומצד שני, פתיחת חורים בראש כלי הלחץ יכולה להוביל לירידה בחוזק המבני. לא רק שזה לא כלכלי, אלא גם אסור שיהיה כמות מסוימת של נקבוביות וחוזק מבני בראש כלי הלחץ. עם זאת, ללא הגדלת מוטות הבקרה, יש צורך להגדיל את ריכוז הרעלים הכימיים המפצים (כגון חומצה בורית) כדי לפצות על הריאקטיביות הנותרת. במקרה זה, קל לריכוז הבורון לחרוג מהסף, ומקדם הטמפרטורה של הממתן יהפוך לחיובי.

כדי להימנע מהבעיות שהוזכרו לעיל, ניתן בדרך כלל להשתמש בשילוב של רעלים דליקים, מוטות בקרה ובקרת פיצוי כימית לצורך הדברה.

(2) כחומר ממכר לשיפור ביצועי חומרי המבנה של הכור

כורים דורשים רכיבים מבניים ויסודות דלק בעלי רמת חוזק מסוימת, עמידות בפני קורוזיה ויציבות תרמית גבוהה, תוך מניעת חדירת תוצרי ביקוע לנוזל הקירור.

1) פלדת אדמה נדירה

לכור גרעיני תנאים פיזיקליים וכימיים קיצוניים, ולכל רכיב בכור יש גם דרישות גבוהות לפלדה המיוחדת בה נעשה שימוש. ליסודות אדמה נדירה יש השפעות שינוי מיוחדות על פלדה, בעיקר כולל טיהור, מטמורפיזם, מיקרו-סגסוגות ושיפור עמידות בפני קורוזיה. פלדות המכילות אדמה נדירה נמצאות גם הן בשימוש נרחב בכורים גרעיניים.

① אפקט טיהור: מחקרים קיימים הראו כי לאדמת אדמה נדירה יש אפקט טיהור טוב על פלדה מותכת בטמפרטורות גבוהות. הסיבה לכך היא שאדמת אדמה נדירה יכולה להגיב עם יסודות מזיקים כמו חמצן וגופרית בפלדה המותכת וליצור תרכובות בטמפרטורה גבוהה. התרכובות בטמפרטורה גבוהה יכולות להיווצר ולפלוט בצורת תכלילים לפני שהפלדה המותכת מתעבה, ובכך להפחית את תכולת הטומאה בפלדה המותכת.

② מטמורפיזם: מצד שני, תחמוצות, סולפידים או אוקסיסולפידים הנוצרים על ידי תגובת אדמה נדירה בפלדה מותכת עם יסודות מזיקים כמו חמצן וגופרית יכולים להישמר חלקית בפלדה המותכת ולהפוך לתכלילים של פלדה בעלת נקודת התכה גבוהה. תכלילים אלה יכולים לשמש כמרכזי נוקלאציה הטרוגניים במהלך התמצקות הפלדה המותכת, ובכך לשפר את צורתה ומבנהה של הפלדה.

③ מיקרו-סגסוגת: אם תוגדל עוד יותר הוספת אדמה נדירה, אדמה נדירה שנותרה תתמוסס בפלדה לאחר השלמת הטיהור והמטמורפיזם הנ"ל. מכיוון שרדיוס האטום של אדמה נדירה גדול מזה של אטום הברזל, לאדמה נדירה יש פעילות פני שטח גבוהה יותר. במהלך תהליך ההתמצקות של פלדה מותכת, יסודות אדמה נדירה מועשרים בגבול הגרעינים, מה שיכול להפחית טוב יותר את הפרדת יסודות הטומאה בגבול הגרעינים, ובכך לחזק את התמיסה המוצקה ולמלא את תפקיד המיקרו-סגסוגת. מצד שני, בשל מאפייני אחסון המימן של אדמה נדירה, הן יכולות לספוג מימן בפלדה, ובכך לשפר ביעילות את תופעת שבירות המימן של הפלדה.

④ שיפור עמידות בפני קורוזיה: הוספת יסודות אדמה נדירה יכולה גם לשפר את עמידות הקורוזיה של פלדה. הסיבה לכך היא שליסודות אדמה נדירה יש פוטנציאל קורוזיה עצמית גבוה יותר מאשר לפלדת אל-חלד. לכן, הוספת יסודות אדמה נדירה יכולה להגביר את פוטנציאל הקורוזיה העצמית של פלדת אל-חלד, ובכך לשפר את יציבות הפלדה בסביבה קורוזיבית.

2). מחקר פטנטים מרכזי

פטנט מפתח: פטנט המצאה של פלדה מחוזקת בפיזור תחמוצת בעלת פעילות נמוכה ושיטת הכנתה על ידי מכון המתכות, האקדמיה הסינית למדעים

תקציר פטנט: מוצגת פלדה מחוזקת בפיזור תחמוצת בעלת הפעלה נמוכה המתאימה לכורי היתוך ושיטת הכנתה, המאופיינת בכך שאחוז יסודות הסגסוגת במסה הכוללת של פלדת ההפעלה הנמוכה 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: התכת סגסוגת האם Fe-Cr-WV-Ta-Mn, עיבוד אבקה, טחינה כדורית באנרגיה גבוהה של סגסוגת האם וננו-חלקיק Y2O3אבקה מעורבת, מיצוי עוטף אבקה, יציקה מיצוק, גלגול חם וטיפול בחום.

שיטת הוספת אדמה נדירה: הוספה בקנה מידה ננומטריY2O3חלקיקים לסגסוגת האם שעברו אטומיזציה של אבקה לטחינת כדורים באנרגיה גבוהה, כאשר מצע הטחינה הוא כדורי פלדה קשים מעורבים Φ 6 ו-Φ 10, עם אטמוספירת טחינת כדורים של גז ארגון 99.99%, יחס מסת חומר הכדור של (8-10): 1, זמן טחינת כדורים של 40-70 שעות ומהירות סיבוב של 350-500 סל"ד.

3). משמש לייצור חומרי הגנה מפני קרינת נויטרונים

① עקרון ההגנה מפני קרינת נויטרונים

נויטרונים הם מרכיבים של גרעינים אטומיים, בעלי מסה סטטית של 1.675 × 10⁻⁹ ק"ג, שהיא פי 1838 ממסת האלקטרונים. רדיוסם הוא כ-0.8 × 10⁻⁹ מ', דומה בגודלו לפרוטון, בדומה לקרני γ, והן חסרות מטען באותה מידה. כאשר נויטרונים מקיימים אינטראקציה עם חומר, הם מקיימים אינטראקציה בעיקר עם הכוחות הגרעיניים בתוך הגרעין, ואינם מקיימים אינטראקציה עם האלקטרונים בקליפה החיצונית.

עם ההתפתחות המהירה של אנרגיה גרעינית וטכנולוגיית כורים גרעיניים, יותר ויותר תשומת לב הוקדשה לבטיחות קרינה גרעינית ולהגנה מפני קרינה גרעינית. על מנת לחזק את הגנת הקרינה עבור מפעילים העוסקים בתחזוקת ציוד קרינה וחילוץ מתאונות במשך זמן רב, יש חשיבות מדעית וערך כלכלי רב לפיתוח חומרים מרוכבים מגנים קלים לביגוד מגן. קרינת נויטרונים היא החלק החשוב ביותר בקרינה של כורים גרעיניים. באופן כללי, רוב הנויטרונים הבאים במגע ישיר עם בני אדם הואטו לנויטרונים בעלי אנרגיה נמוכה לאחר אפקט המגן של החומרים המבניים בתוך הכור הגרעיני. נויטרונים בעלי אנרגיה נמוכה יתנגשו בגרעינים בעלי מספר אטומי נמוך יותר באופן אלסטי וימשיכו להיות ממותנים. הנויטרונים התרמיים הממותנים ייספגו על ידי יסודות בעלי חתך רוחב גדול יותר של בליעת נויטרונים, ולבסוף יושג מיגון נויטרונים.

② מחקר פטנטים מרכזי

התכונות ההיברידיות הנקבוביות והאורגניות-אי-אורגניות שליסוד אדמה נדירגדוליניוםחומרי שלד אורגניים מבוססי מתכת מגבירים את תאימותם לפוליאתילן, מה שמקדם את תכולת הגדוליניום ופיזור הגדוליניום הגבוהים יותר של חומרים מרוכבים סינתטיים. תכולת הגדוליניום הגבוהה ופיזורם ישפיעו ישירות על ביצועי מיגון הנויטרונים של החומרים המרוכבים.

פטנט מרכזי: מכון חפיי למדעי החומרים, האקדמיה הסינית למדעים, פטנט המצאה של חומר מיגון מרוכב למסגרת אורגנית מבוססת גדוליניום ושיטת הכנתו

תקציר פטנט: חומר מיגון מרוכב מבוסס גדוליניום, עשוי שלד אורגני מתכתי, הוא חומר מרוכב שנוצר על ידי ערבובגדוליניוםחומר שלד אורגני מתכתי מבוסס גדוליניום עם פוליאתילן ביחס משקל של 2:1:10 ויצירתו באמצעות אידוי ממס או כבישה חמה. חומרי מיגון מרוכבים של שלד אורגני מתכתי מבוסס גדוליניום הם בעלי יציבות תרמית גבוהה ויכולת מיגון נויטרונים תרמיים.

תהליך ייצור: בחירת מגווןמתכת גדוליניוםמלחים וליגנדים אורגניים להכנה וסינתזה של סוגים שונים של חומרי שלד אורגניים מתכתיים מבוססי גדוליניום, שטיפתם עם מולקולות קטנות של מתנול, אתנול או מים על ידי צנטריפוגה, והפעלתם בטמפרטורה גבוהה בתנאי ואקום כדי להסיר לחלוטין את שאריות חומרי הגלם שלא הגיבו בנקבוביות חומרי השלד האורגניים המתכתיים מבוססי גדוליניום; חומר השלד האורגנו-מתכתי מבוסס גדוליניום שהוכן בשלב עובר ערבוב עם קרם פוליאתילן במהירות גבוהה, או באולטרסאונד, או שחומר השלד האורגנו-מתכתי מבוסס גדוליניום שהוכן בשלב עובר ערבוב מומס עם פוליאתילן בעל משקל מולקולרי גבוה במיוחד בטמפרטורה גבוהה עד לערבוב מלא; הניחו את תערובת חומר השלד האורגני המתכתי/פוליאתילן המעורבבת באופן אחיד על בסיס גדוליניום בתבנית, והשיגו את חומר המיגון המרוכב של השלד האורגני המתכתי מבוסס גדוליניום שנוצר על ידי ייבוש כדי לקדם אידוי ממס או כבישה חמה; חומר המיגון המרוכב של השלד האורגני המתכתי מבוסס גדוליניום שהוכן בעל עמידות חום משופרת משמעותית, תכונות מכניות ויכולת מיגון נויטרונים תרמיים מעולה בהשוואה לחומרי פוליאתילן טהורים.

אופן הוספת 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 קואורדינציה שלGd (NO3)3 • 6H2O או GdCl3 • 6H2Oוליגנד קרבוקסילאט אורגני; גודלו של חומר שלד אורגני מתכתי מבוסס גדוליניום הוא 50 ננומטר-2 מיקרומטר; לחומרי שלד אורגני מתכתי מבוססי גדוליניום יש מורפולוגיות שונות, כולל צורות גרגיריות, צורות מוט או צורות מחט.

(4) יישום שלסקנדיוםברדיוכימיה ובתעשייה הגרעינית

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

פטנט מרכזי: המכון לחומרים אווירונאוטיים של בייג'ינג לפיתוח אווירונאוטיקה של סין, פטנט על המצאת סגסוגת אלומיניום אבץ מגנזיום סקנדיום ושיטת הכנתה

תקציר פטנט: אלומיניום ואבץסגסוגת מגנזיום סקנדיוםושיטת ההכנה שלה. ההרכב הכימי ואחוז המשקל של סגסוגת האלומיניום 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%, זיהומים אחרים בודדים ≤ 0.05%, זיהומים אחרים בסך הכל ≤ 0.15%, והכמות הנותרת היא Al. המיקרו-מבנה של חומר סגסוגת האלומיניום אבץ מגנזיום סקנדיום הזה אחיד וביצועיו יציבים, עם חוזק מתיחה מקסימלי של מעל 400MPa, חוזק כניעה של מעל 350MPa וחוזק מתיחה של מעל 370MPa עבור חיבורים מרותכים. מוצרי החומר יכולים לשמש כאלמנטים מבניים בתעשיית התעופה והחלל, התעשייה הגרעינית, התחבורה, ציוד ספורט, נשק ותחומים אחרים.

תהליך ייצור: שלב 1, רכיבים בהתאם להרכב הסגסוגת הנ"ל; שלב 2: התכה בכבשן התכה בטמפרטורה של 700 ℃~780 ℃; שלב 3: זיקוק נוזל המתכת המותך לחלוטין, ושמירה על טמפרטורת המתכת בטווח של 700 ℃~750 ℃ ​​במהלך הזיקוק; שלב 4: לאחר הזיקוק, יש לאפשר למתכת לעמוד לחלוטין; שלב 5: לאחר עמידה מלאה, התחילו ביציקה, שמרו על טמפרטורת הכבשן בטווח של 690 ℃~730 ℃, ומהירות היציקה היא 15-200 מ"מ/דקה; שלב 6: ביצוע טיפול חישול הומוגני על מטיל הסגסוגת בכבשן החימום, עם טמפרטורת הומוגניות של 400 ℃~470 ℃; שלב 7: קילוף המטיל שעבר הומוגניות ובצע שחול חם כדי לייצר פרופילים בעלי עובי דופן של מעל 2.0 מ"מ. במהלך תהליך השיחול, יש לשמור על הבילטים בטמפרטורה של 350 ℃ עד 410 ℃; שלב 8: לחצו על הפרופיל לצורך טיפול בהרוויה בתמיסה, בטמפרטורת תמיסה של 460-480 ℃; שלב 9: לאחר 72 שעות של הרוויה בתמיסה מוצקה, יש לבצע הזדקנות ידנית בכפייה. שיטת ההזדקנות הידנית היא: 90~110 ℃/24 שעות + 170~180 ℃/5 שעות, או 90~110 ℃/24 שעות + 145~155 ℃/10 שעות.

5、 סיכום מחקר

באופן כללי, אדמה נדירה נמצאת בשימוש נרחב בהיתוך גרעיני ובביקוע גרעיני, ויש לה פטנטים רבים בכיוונים טכניים כמו עירור קרני רנטגן, יצירת פלזמה, כורי מים קלים, טרנסאורניום, אורניל ואבקת תחמוצת. באשר לחומרי כורים, אדמה נדירה יכולה לשמש כחומרי מבנה לכורים וחומרי בידוד קרמיים קשורים, חומרי בקרה וחומרי הגנה מפני קרינת נויטרונים.