Tapassing fan seldsume ierde-eleminten yn kearnmaterialen

1. Definysje fan nukleêre materialen

Yn in brede sin is kearnmateriaal de algemiene term foar materialen dy't allinnich brûkt wurde yn 'e kearnyndustry en kearnwittenskiplik ûndersyk, ynklusyf kearnbrânstof en kearntechnyske materialen, dus net-kearnbrânstofmaterialen.

De meastentiids oantsjutte nukleêre materialen ferwize benammen nei materialen dy't brûkt wurde yn ferskate ûnderdielen fan 'e reaktor, ek wol bekend as reaktormaterialen. Reaktormaterialen omfetsje nukleêre brânstof dy't kearnspjalting ûndergiet ûnder neutronbombardemint, bekledingsmaterialen foar nukleêre brânstofkomponinten, koelmiddels, neutronmoderators (moderators), kontrôlestangmaterialen dy't neutronen sterk absorbearje, en reflektearjende materialen dy't neutronlekkage bûten de reaktor foarkomme.

2. Ko-assosjeare relaasje tusken seldsume ierdeboarnen en kearnboarnen

Monazyt, ek wol fosfoceryt en fosfoceryt neamd, is in gewoan helpmineraal yn tuskenlizzende soere stollingsgesteente en metamorfysk gesteente. Monazyt is ien fan 'e wichtichste mineralen fan seldsume ierdmetaalerts, en komt ek foar yn guon sedimintêr gesteente. Brúnich read, giel, soms brúnich giel, mei in fettige glâns, folsleine splitsing, Mohs-hurdens fan 5-5.5, en spesifike swiertekrêft fan 4.9-5.5.

It wichtichste ertsmineraal fan guon seldsume ierde-ôfsettings fan it placer-type yn Sina is monazyt, benammen te finen yn Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, en He County, Guangxi. De winning fan seldsume ierde-boarnen fan it placer-type hat lykwols faak gjin ekonomyske betsjutting. Solitêre stiennen befetsje faak refleksive thoriumeleminten en binne ek de wichtichste boarne fan kommersjeel plutonium.

3. Oersjoch fan tapassing fan seldsume ierden yn kearnfúzje en kearnspjalting basearre op patent panoramyske analyze.

Nei't de kaaiwurden fan seldsume ierde-sykeleminten folslein útwreide binne, wurde se kombineare mei de útwreidingskaaien en klassifikaasjenûmers fan kearnspjalting en kearnfúzje, en trochsocht yn 'e Incopt-database. De sykdatum is 24 augustus 2020. 4837 patinten waarden krigen nei ienfâldige famyljefúzje, en 4673 patinten waarden bepaald nei keunstmjittige rûsreduksje.

Patentoanfragen foar seldsume ierden op it mêd fan kearnspjalting of kearnfúzje binne ferspraat yn 56 lannen/regio's, benammen konsintrearre yn Japan, Sina, de Feriene Steaten, Dútslân en Ruslân, ensfh. In flink oantal patinten wurdt oanfrege yn 'e foarm fan PCT, wêrfan it oantal Sineeske patinttechnologyoanfragen tanommen is, benammen sûnt 2009, en in rappe groeifaze yngiet, en Japan, de Feriene Steaten en Ruslân hawwe al in protte jierren trochgien mei it útwreidzjen fan dit mêd (Ofbylding 1).

Figuer 1 Tapassingstrend fan technologypatinten yn ferbân mei tapassing fan seldsume ierden yn kearnspjalting en kearnfúzje yn lannen/regio's

Ut 'e analyze fan technyske tema's kin sjoen wurde dat de tapassing fan seldsume ierde yn kearnfúzje en kearnspjalting him rjochtet op brânstofeleminten, scintillators, strielingsdetektors, aktiniden, plasma's, kearnreaktors, ôfskermingsmaterialen, neutronabsorpsje en oare technyske rjochtingen.

4. Spesifike tapassingen en wichtich patintûndersyk fan seldsume ierde-eleminten yn kearnmaterialen

Under harren binne kearnfúzje en kearnspjaltingsreaksjes yn kearnmaterialen yntinsyf, en de easken foar materialen binne strang. Op it stuit binne krêftreaktors benammen kearnspjaltingsreaktors, en fúzjereaktors kinne nei 50 jier op grutte skaal populêr wurde. De tapassing fanseldsume ierdeeleminten yn reaktorstrukturele materialen; Yn spesifike fjilden fan nukleêre gemyske eleminten wurde seldsume ierde-eleminten benammen brûkt yn kontrôlestangen; Derneist,skandiumis ek brûkt yn radiogemy en nukleêre yndustry.

(1) As brânber gif of kontrôlestôk om it neutronnivo en de krityske steat fan in kearnreaktor oan te passen

Yn krêftreaktors is de earste oerbleaune reaktiviteit fan nije kearnen oer it algemien relatyf heech. Benammen yn 'e iere stadia fan' e earste tanksyklus, as alle kearnbrânstof yn 'e kearn nij is, is de oerbleaune reaktiviteit it heechst. Op dit punt soe it allinich fertrouwe op it fergrutsjen fan kontrôlestangen om de oerbleaune reaktiviteit te kompensearjen mear kontrôlestangen yntrodusearje. Elke kontrôlestang (of stangbondel) komt oerien mei de ynfiering fan in kompleks oandriuwmeganisme. Oan 'e iene kant fergruttet dit de kosten, en oan' e oare kant kin it iepenjen fan gatten yn 'e kop fan' e drukfet liede ta in fermindering fan strukturele sterkte. It is net allinich net ekonomysk, mar it is ek net tastien om in bepaalde hoemannichte porositeit en strukturele sterkte op 'e kop fan' e drukfet te hawwen. Sûnder de kontrôlestangen te fergrutsjen is it lykwols needsaaklik om de konsintraasje fan gemyske kompensearjende gifstoffen (lykas boorsûr) te ferheegjen om de oerbleaune reaktiviteit te kompensearjen. Yn dit gefal is it maklik foar de boorkonsintraasje om de drompel te oerskriden, en de temperatuerkoëffisjint fan 'e moderator sil posityf wurde.

Om de neamde problemen te foarkommen, kin oer it algemien in kombinaasje fan brânbere gifstoffen, kontrôlestangen en gemyske kompensaasjekontrôle brûkt wurde foar kontrôle.

(2) As in dopant om de prestaasjes fan reaktorstrukturele materialen te ferbetterjen

Reaktoaren fereaskje dat strukturele komponinten en brânstofeleminten in bepaald nivo fan sterkte, korrosjebestriding en hege termyske stabiliteit hawwe, wylst se ek foarkomme dat spjaltingsprodukten yn it koelmiddel komme.

1) Seldsume ierdstiel

De kearnreaktor hat ekstreme fysike en gemyske omstannichheden, en elk ûnderdiel fan 'e reaktor hat ek hege easken foar it brûkte spesjale stiel. Seldsume ierde-eleminten hawwe spesjale modifikaasje-effekten op stiel, benammen ynklusyf suvering, metamorfose, mikrolegering en ferbettering fan korrosjebestriding. Seldsume ierde-hâldende stielen wurde ek in soad brûkt yn kearnreaktors.

① Suveringseffekt: Besteand ûndersyk hat oantoand dat seldsume ierden in goed suveringseffekt hawwe op smelten stiel by hege temperatueren. Dit komt om't seldsume ierden kinne reagearje mei skealike eleminten lykas soerstof en swevel yn it smelten stiel om hege-temperatuerferbiningen te generearjen. De hege-temperatuerferbiningen kinne wurde delslach en ûntslein yn 'e foarm fan ynklúzjes foardat it smelten stiel kondinsearret, wêrtroch it ûnreinheidsgehalte yn it smelten stiel wurdt fermindere.

② Metamorfisme: oan 'e oare kant kinne de oksiden, sulfiden of oksysulfiden dy't ûntstien binne troch de reaksje fan seldsume ierde yn it smelte stiel mei skealike eleminten lykas soerstof en swevel foar in part yn it smelte stiel bewarre bliuwe en ynslutingen wurde fan stiel mei in heech smeltpunt. Dizze ynslutingen kinne brûkt wurde as heterogene kearnsintra tidens it stoljen fan it smelte stiel, wêrtroch't de foarm en struktuer fan stiel ferbettere wurdt.

③ Mikrolegering: as de tafoeging fan seldsume ierde fierder ferhege wurdt, sil de oerbleaune seldsume ierde oplost wurde yn it stiel nei't de boppesteande suvering en metamorfose foltôge binne. Omdat de atoomradius fan seldsume ierde grutter is as dy fan it izeratoom, hat seldsume ierde in hegere oerflakaktiviteit. Tidens it stollingsproses fan smelten stiel wurde seldsume ierde-eleminten ferrike oan 'e kerrelgrins, wat de segregaasje fan ûnreinheidseleminten oan 'e kerrelgrins better kin ferminderje, wêrtroch't de fêste oplossing fersterke wurdt en de rol fan mikrolegering spilet. Oan 'e oare kant, troch de wetterstofopslacheigenskippen fan seldsume ierde-eleminten, kinne se wetterstof yn stiel opnimme, wêrtroch't it wetterstofbrosheidsfenomeen fan stiel effektyf ferbettere wurdt.

④ Ferbetterjen fan korrosjebestriding: De tafoeging fan seldsume ierde-eleminten kin ek de korrosjebestriding fan stiel ferbetterje. Dit komt om't seldsume ierde-eleminten in hegere selskorrosjepotinsjeel hawwe as roestfrij stiel. Dêrom kin de tafoeging fan seldsume ierde-eleminten it selskorrosjepotinsjeel fan roestfrij stiel ferheegje, wêrtroch't de stabiliteit fan stiel yn korrosive media ferbetteret.

2). Wichtige patintstúdzje

Wichtige patint: útfiningpatint fan in mei oksidedispersje fersterke leechaktivearjende stiel en syn tariedingsmetoade troch it Ynstitút foar Metalen, Sineeske Akademy fan Wittenskippen

Patent gearfetting: Beskikber is in oksidedispersje fersterke leechaktivaasje stiel geskikt foar fúzjereaktoren en syn tariedingsmetoade, karakterisearre trochdat it persintaazje fan legearingseleminten yn 'e totale massa fan it leechaktivaasje stiel is: de 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%, en 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

Produksjeproses: Fe-Cr-WV-Ta-Mn memmelegering smelten, poeierferstuiving, hege-enerzjykûgelfrezen fan 'e memmelegering enY2O3 nanopartikelmingd poeier, poeier-omhulselekstraksje, stollingsfoarmjen, hjitwalzen en waarmtebehanneling.

Metoade foar tafoeging fan seldsume ierden: Foegje nanoskaal taY2O3dieltsjes oan it ferstoven poeier fan 'e âlderlegering foar hege-enerzjykûgelfrezen, wêrby't it kûgelfreesmedium mingde hurde stielen ballen fan Φ 6 en Φ 10 is, mei in kûgelfreesatmosfear fan 99,99% argongas, in massaferhâlding fan it kûgelmateriaal fan (8-10): 1, in kûgelfreestiid fan 40-70 oeren, en in rotaasjesnelheid fan 350-500 r/min.

3). Gebrûkt om materialen te meitsjen dy't beskerming biede tsjin neutronstrieling

① Prinsipe fan neutronenstrielingsbeskerming

Neutronen binne ûnderdielen fan atoomkernen, mei in statyske massa fan 1.675 × 10⁻⁹ kg, dat is 1838 kear de elektroanyske massa. De straal is sawat 0.8 × 10⁻⁹ m, fergelykber yn grutte mei in proton, fergelykber mei γ-strielen binne like ûnladen. As neutronen ynteraksje hawwe mei matearje, ynteraksje se benammen mei de kearnkrêften yn 'e kearn, en net mei de elektroanen yn 'e bûtenste skyl.

Mei de rappe ûntwikkeling fan kearnerzjy en kearnreaktortechnology is der hieltyd mear omtinken jûn oan feiligens fan kearnstrieling en beskerming tsjin kearnstrieling. Om de strielingsbeskerming te fersterkjen foar operators dy't al lang dwaande binne mei ûnderhâld fan strielingsapparatuer en rêdingsaksjes by ûngemakken, is it fan grutte wittenskiplike betsjutting en ekonomyske wearde om lichtgewicht ôfskermjende kompositen te ûntwikkeljen foar beskermjende klean. Neutronstrieling is it wichtichste ûnderdiel fan kearnreaktorstrieling. Yn 't algemien binne de measte neutronen dy't yn direkt kontakt binne mei minsken fertrage ta leechenerzjyneutronen nei it neutronenôfskermjende effekt fan 'e strukturele materialen yn' e kearnreaktor. Leechenerzjyneutronen sille elastysk botsje mei kearnen mei in leger atoomnûmer en fierder moderearre wurde. De moderearre termyske neutronen sille wurde opnommen troch eleminten mei gruttere neutronenabsorpsje-dwersdoorsneden, en úteinlik sil neutronenôfskerming wurde berikt.

② Wichtige patintstúdzje

De poreuze en organysk-anorganyske hybride eigenskippen fanseldsume ierde-elemintgadoliniumOp metaal basearre organyske skeletmaterialen fergrutsje har kompatibiliteit mei polyetyleen, wêrtroch't de synthetisearre kompositmaterialen in hegere gadoliniumynhâld en gadoliniumfersprieding hawwe. It hege gadoliniumynhâld en de fersprieding sille direkt ynfloed hawwe op de neutronenbeskermingsprestaasjes fan 'e kompositmaterialen.

Wichtige patint: Hefei Ynstitút foar Materiaalwittenskip, Sineeske Akademy fan Wittenskippen, útfiningpatint fan in op gadolinium basearre organysk ramtkompositbeskermingsmateriaal en syn tariedingsmetoade

Patent Abstract: Gadolinium-basearre metaal organysk skelet gearstalde beskermingsmateriaal is in gearstald materiaal dat wurdt foarme troch mingengadoliniumbasearre metaal-organysk skeletmateriaal mei polyetyleen yn in gewichtsferhâlding fan 2:1:10 en it foarmjen troch oplosmiddelferdamping of hjitpersen. Op gadolinium basearre metaal-organysk skelet-kompositbeskermingsmaterialen hawwe hege termyske stabiliteit en termyske neutronbeskermingsfermogen.

Produksjeproses: it selektearjen fan ferskategadoliniummetaalsâlten en organyske liganden om ferskate soarten gadolinium-basearre metaal-organyske skeletmaterialen ta te rieden en te synthetisearjen, se te waskjen mei lytse molekulen methanol, ethanol of wetter troch sintrifugaasje, en se te aktivearjen by hege temperatuer ûnder fakuümomstannichheden om de oerbleaune net-reagearre grûnstoffen yn 'e poaren fan' e gadolinium-basearre metaal-organyske skeletmaterialen folslein te ferwiderjen; It gadolinium-basearre organometallyske skeletmateriaal dat yn stap taret is, wurdt mei polyetyleenlotion op hege snelheid roerd, of ultrasonysk, of it gadolinium-basearre organometallyske skeletmateriaal dat yn stap taret is, wurdt by hege temperatuer smeltmingd mei ultra-heech molekulêr gewicht polyetyleen oant it folslein mingd is; Plak it unifoarm mingde gadolinium-basearre metaal-organyske skeletmateriaal/polyetyleenmingsel yn 'e mal, en krije it foarme gadolinium-basearre metaal-organyske skeletkompositbeskermingsmateriaal troch droegjen om oplosmiddelferdamping of hjitpersen te befoarderjen; It taret gadolinium-basearre metaal-organyske skeletkompositbeskermingsmateriaal hat signifikant ferbettere waarmtebestriding, meganyske eigenskippen en superieure termyske neutronbeskermingsfermogen yn ferliking mei suvere polyetyleenmaterialen.

Seldsume ierde-tafoegingsmodus: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 of Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 poreus kristallijn koördinaasjepolymeer mei gadolinium, dat wurdt krigen troch koördinaasjepolymerisaasje fanGd (NO3) 3 • 6H2O of GdCl3 • 6H2Oen organyske karboksylaatligand; De grutte fan gadolinium-basearre metaal-organyske skeletmateriaal is 50 nm-2 μ m; gadolinium-basearre metaal-organyske skeletmaterialen hawwe ferskate morfologyen, ynklusyf korrelige, stêffoarmige of nullefoarmige foarmen.

(4) Tapassing fanSkandiumyn radiogemy en nukleêre yndustry

Scandiummetaal hat goede termyske stabiliteit en sterke fluorabsorpsjeprestaasjes, wêrtroch it in ûnmisber materiaal is yn 'e atoomenerzjy-yndustry.

Wichtige patint: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, útfiningpatint foar in aluminium sink magnesium scandiumlegering en syn tariedingsmetoade

Patentabstrakt: In aluminium sinkmagnesium scandium legearingen syn tariedingsmetoade. De gemyske gearstalling en it gewichtspersintaazje fan 'e aluminium sink magnesium scandium-legering binne: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, ûnreinheden Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, oare ûnreinheden ienkel ≤ 0,05%, oare ûnreinheden totaal ≤ 0,15%, en de oerbleaune hoemannichte is Al. De mikrostruktuer fan dit aluminium sink magnesium scandium-legeringmateriaal is unifoarm en syn prestaasjes binne stabyl, mei in úteinlike treksterkte fan mear as 400 MPa, in reksterkte fan mear as 350 MPa, en in treksterkte fan mear as 370 MPa foar lassen. De materiaalprodukten kinne brûkt wurde as strukturele eleminten yn 'e loftfeart, kearnsektor, ferfier, sportartikelen, wapens en oare fjilden.

Produksjeproses: Stap 1, yngrediïnt neffens de boppesteande legearingskomposysje; Stap 2: Smelt yn 'e smelteoven by in temperatuer fan 700 ℃ ~ 780 ℃; Stap 3: Raffinearje de folslein smelte metaalfloeistof, en hâld de metaaltemperatuer binnen it berik fan 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​tidens raffinaazje; Stap 4: Nei it raffinaazje moat it folslein stilstean; Stap 5: Nei folslein stean, begjin mei jitten, hâld de oventemperatuer binnen it berik fan 690 ℃ ~ 730 ℃, en de jittesnelheid is 15-200 mm / minuut; Stap 6: Fier homogenisaasje-annealingbehanneling út op 'e legearingsstaaf yn' e ferwaarmingsoven, mei in homogenisaasjetemperatuer fan 400 ℃ ~ 470 ℃; Stap 7: Skil de homogenisearre staaf en fier hjitte ekstruzje út om profilen te produsearjen mei in wanddikte fan mear as 2.0 mm. Tidens it ekstruzjeproses moat de billet wurde hâlden op in temperatuer fan 350 ℃ oant 410 ℃; Stap 8: Druk it profyl yn foar de oplossingsblussende behanneling, mei in oplossingstemperatuer fan 460-480 ℃; Stap 9: Nei 72 oeren fan fêste oplossingsblussen, twongen ferâldering mei de hân. It systeem foar manuele twongen ferâldering is: 90~110 ℃/24 oeren+170~180 ℃/5 oeren, of 90~110 ℃/24 oeren+145~155 ℃/10 oeren.

5. Undersyksgearfetting

Oer it algemien wurde seldsume ierden in soad brûkt yn kearnfúzje en kearnspjalting, en hawwe in protte patintlayouts yn technyske rjochtingen lykas röntgenstralingseksitaasje, plasmafoarming, ljochtwetterreaktor, transuranium, uranyl en oksidepoeier. Wat reaktormaterialen oanbelanget, kinne seldsume ierden brûkt wurde as reaktorstrukturele materialen en relatearre keramyske isolaasjematerialen, kontrôlematerialen en neutronstralingsbeskermingsmaterialen.