1、 Nükleer Malzemelerin Tanımı
Geniş anlamda, nükleer malzeme, nükleer yakıt ve nükleer mühendislik malzemeleri, yani nükleer yakıt olmayan malzemeler de dahil olmak üzere, yalnızca nükleer endüstride ve nükleer bilimsel araştırmalarda kullanılan malzemeler için kullanılan genel terimdir.
Yaygın olarak anılan nükleer malzemeler esas olarak reaktör malzemeleri olarak da bilinen, reaktörün çeşitli kısımlarında kullanılan malzemeleri ifade eder. Reaktör malzemeleri arasında nötron bombardımanı altında nükleer fisyona uğrayan nükleer yakıt, nükleer yakıt bileşenleri için kaplama malzemeleri, soğutucular, nötron moderatörleri (moderatörler), nötronları güçlü bir şekilde emen kontrol çubuğu malzemeleri ve reaktör dışına nötron sızıntısını önleyen yansıtıcı malzemeler bulunur.
2、 Nadir toprak kaynakları ile nükleer kaynaklar arasındaki ortak ilişki
Fosfoserit ve fosfoserit olarak da adlandırılan monazit, orta asitli magmatik kaya ve metamorfik kayalarda yaygın olarak kullanılan bir aksesuar mineraldir. Monazit, nadir toprak metal cevherinin ana minerallerinden biridir ve ayrıca bazı tortul kayaçlarda da bulunur. Kahverengimsi kırmızı, sarı, bazen kahverengimsi sarı, yağlı bir parlaklık, tam bölünme, 5-5,5 Mohs sertliği ve 4,9-5,5 özgül ağırlık.
Çin'deki bazı plaser tipi nadir toprak yataklarının ana cevher minerali, esas olarak Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan ve He County, Guangxi'de bulunan monazittir. Bununla birlikte, plaser tipi nadir toprak kaynaklarının çıkarılmasının çoğu zaman ekonomik önemi yoktur. Tek taşlar genellikle yansımalı toryum elementleri içerir ve aynı zamanda ticari plütonyumun da ana kaynağıdır.
3、 Patent panoramik analizine dayalı nükleer füzyon ve nükleer fisyonda nadir toprak uygulamalarına genel bakış
Nadir toprak arama elementlerinin anahtar kelimeleri tamamen genişletildikten sonra nükleer fisyon ve nükleer füzyonun genişleme anahtarları ve sınıflandırma numaraları ile birleştirilerek Incopt veri tabanında aranır. Arama tarihi 24 Ağustos 2020. Basit aile birleşmesinden sonra 4837 patent alınırken, yapay gürültü azaltımından sonra 4673 patent belirlendi.
Nükleer fisyon veya nükleer füzyon alanındaki nadir toprak patent başvuruları 56 ülkeye/bölgeye dağıtılmış olup, esas olarak Japonya, Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Almanya ve Rusya vb. ülkelerde yoğunlaşmıştır. Önemli sayıda patent PCT biçiminde uygulanmıştır. Özellikle 2009 yılından itibaren Çin patent teknolojisi başvuruları artan, hızlı bir büyüme aşamasına giren, Japonya, Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya uzun yıllardır bu alanda yer almaya devam etmektedir (Şekil 1).
Şekil 1 Ülkelerde/bölgelerde nükleer nükleer fisyon ve nükleer füzyonda nadir toprak uygulamasına ilişkin teknoloji patentlerinin uygulama eğilimi
Teknik temaların analizinden, nükleer füzyon ve nükleer fisyonda nadir toprak uygulamasının yakıt elemanlarına, sintilatörlere, radyasyon dedektörlerine, aktinitlere, plazmalara, nükleer reaktörlere, koruyucu malzemelere, nötron emilimine ve diğer teknik yönlere odaklandığı görülebilir.
4、 Nükleer Malzemelerdeki Nadir Toprak Elementlerinin Özel Uygulamaları ve Anahtar Patent Araştırması
Bunlar arasında nükleer malzemelerde nükleer füzyon ve nükleer fisyon reaksiyonları yoğun olup, malzeme gereksinimleri katıdır. Şu anda güç reaktörleri çoğunlukla nükleer fisyon reaktörleridir ve füzyon reaktörleri 50 yıl sonra büyük ölçekte yaygınlaşabilir. Uygulamasınadir toprakreaktörün yapısal malzemelerindeki elemanlar; Belirli nükleer kimyasal alanlarda, nadir toprak elementleri çoğunlukla kontrol çubuklarında kullanılır; Ek olarak,skandiyumradyokimya ve nükleer endüstride de kullanılmaktadır.
（1） Nötron seviyesini ve nükleer reaktörün kritik durumunu ayarlamak için yanıcı zehir veya kontrol çubuğu olarak
Güç reaktörlerinde yeni çekirdeklerin başlangıçtaki artık reaktivitesi genellikle nispeten yüksektir. Özellikle ilk yakıt ikmali döngüsünün ilk aşamalarında, çekirdekteki nükleer yakıtın tamamı yeni olduğunda, kalan reaktivite en yüksek düzeydedir. Bu noktada, artık reaktiviteyi telafi etmek için yalnızca kontrol çubuklarının arttırılmasına güvenmek, daha fazla kontrol çubuğunun ortaya çıkmasına neden olacaktır. Her bir kontrol çubuğu (veya çubuk demeti), karmaşık bir tahrik mekanizmasının devreye sokulmasına karşılık gelir. Bu bir yandan maliyetleri artırırken, diğer yandan basınçlı kap başlığında delik açılması yapısal mukavemetin azalmasına neden olabilir. Ekonomik olmamasının yanı sıra basınçlı kap kafasında belirli bir miktarda gözenekliliğe ve yapısal dayanıklılığa sahip olmasına da izin verilmez. Bununla birlikte, kontrol çubuklarını arttırmadan, kalan reaktiviteyi telafi etmek için kimyasal telafi edici toksinlerin (borik asit gibi) konsantrasyonunu arttırmak gerekir. Bu durumda bor konsantrasyonunun eşiği aşması kolaylaşacak ve moderatörün sıcaklık katsayısı pozitif olacaktır.
Yukarıda belirtilen problemlerden kaçınmak için, kontrol amacıyla genellikle yanıcı toksinler, kontrol çubukları ve kimyasal dengeleme kontrolünün bir kombinasyonu kullanılabilir.
（2） Reaktör yapısal malzemelerinin performansını arttırmak için katkı maddesi olarak
Reaktörler, yapısal bileşenlerin ve yakıt elemanlarının belirli bir düzeyde sağlamlığa, korozyon direncine ve yüksek termal stabiliteye sahip olmasını gerektirirken aynı zamanda fisyon ürünlerinin soğutucuya girmesini önler.
1) .Nadir toprak çeliği
Nükleer reaktör aşırı fiziksel ve kimyasal koşullara sahiptir ve reaktörün her bir bileşeni, kullanılan özel çelik açısından da yüksek gereksinimlere sahiptir. Nadir toprak elementlerinin çelik üzerinde, esas olarak saflaştırma, metamorfizma, mikro alaşımlama ve korozyon direncinin iyileştirilmesi dahil olmak üzere özel modifikasyon etkileri vardır. Nadir toprak içeren çelikler nükleer reaktörlerde de yaygın olarak kullanılmaktadır.
① Saflaştırma etkisi: Mevcut araştırmalar, nadir toprak elementlerinin yüksek sıcaklıklarda erimiş çelik üzerinde iyi bir saflaştırma etkisine sahip olduğunu göstermiştir. Bunun nedeni, nadir toprak elementlerinin erimiş çelikteki oksijen ve kükürt gibi zararlı elementlerle reaksiyona girerek yüksek sıcaklıkta bileşikler oluşturabilmesidir. Yüksek sıcaklıktaki bileşikler, erimiş çelik yoğunlaşmadan önce kalıntılar halinde çökeltilebilir ve boşaltılabilir, böylece erimiş çelikteki yabancı madde içeriği azaltılabilir.
② Metamorfizma: Öte yandan, erimiş çelikteki nadir toprağın oksijen ve kükürt gibi zararlı elementlerle reaksiyonu sonucu oluşan oksitler, sülfürler veya oksisülfitler, erimiş çelikte kısmen tutulabilir ve yüksek erime noktasına sahip çeliğin kalıntıları haline gelebilir . Bu kalıntılar, erimiş çeliğin katılaşması sırasında heterojen çekirdeklenme merkezleri olarak kullanılabilir, böylece çeliğin şekli ve yapısı iyileştirilir.
③ Mikro alaşımlama: Nadir toprak ilavesi daha da artırılırsa, yukarıdaki saflaştırma ve metamorfizma tamamlandıktan sonra kalan nadir toprak çelik içinde çözülecektir. Nadir toprağın atom yarıçapı demir atomununkinden daha büyük olduğundan, nadir toprağın yüzey aktivitesi daha yüksektir. Erimiş çeliğin katılaşma işlemi sırasında, nadir toprak elementleri tane sınırında zenginleştirilir, bu da tane sınırında yabancı maddelerin ayrılmasını daha iyi azaltabilir, böylece katı çözeltiyi güçlendirebilir ve mikro alaşımlama rolünü oynayabilir. Öte yandan, nadir toprak elementlerinin hidrojen depolama özellikleri nedeniyle, çelikteki hidrojeni absorbe edebilirler, böylece çeliğin hidrojen gevrekleşmesi olayını etkin bir şekilde iyileştirebilirler.
④ Korozyon direncinin arttırılması: Nadir toprak elementlerinin eklenmesi çeliğin korozyon direncini de artırabilir. Bunun nedeni nadir toprakların paslanmaz çeliğe göre daha yüksek bir kendi kendine korozyon potansiyeline sahip olmasıdır. Bu nedenle, nadir toprak elementlerinin eklenmesi paslanmaz çeliğin kendi kendine korozyon potansiyelini arttırabilir ve böylece çeliğin aşındırıcı ortamlardaki stabilitesini iyileştirebilir.
2). Önemli Patent Çalışması
Anahtar patent: Çin Bilimler Akademisi, Metaller Enstitüsü tarafından oksit dispersiyonuyla güçlendirilmiş düşük aktivasyonlu çeliğin buluş patenti ve hazırlama yöntemi
Patent özeti: Füzyon reaktörleri için uygun, oksit dispersiyonuyla güçlendirilmiş, düşük aktivasyonlu bir çelik ve bunun hazırlama yöntemi sağlanmaktadır; özelliği, düşük aktivasyonlu çeliğin toplam kütlesindeki alaşım elementlerinin yüzdesinin şöyle olmasıdır: matris Fe'dir, %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 ve %0,05 ≤ Y2O3 ≤ %0,5.
Üretim süreci: Fe-Cr-WV-Ta-Mn ana alaşımının eritilmesi, toz atomizasyonu, ana alaşımın yüksek enerjili bilyalı öğütülmesi veY2O3 nanoparçacığıkarışık toz, toz kaplama ekstraksiyonu, katılaştırma kalıplama, sıcak haddeleme ve ısıl işlem.
Nadir toprak ekleme yöntemi: Nano ölçekli eklemeY2O3yüksek enerjili bilyalı öğütme için ana alaşım atomize toza parçacıklar eklenir, bilyalı öğütme ortamı Φ 6 ve Φ 10 karışık sert çelik bilyalardır, %99,99 argon gazından oluşan bir bilyalı öğütme atmosferine sahiptir, bilya malzemesi kütle oranı (8- 10): 1, 40-70 saatlik bir bilyeli öğütme süresi ve 350-500 dev/dak'lık bir dönme hızı.
3）. Nötron radyasyonundan korunma malzemeleri yapmak için kullanılır
① Nötron radyasyonundan korunma prensibi
Nötronlar, statik kütleleri 1.675 × 10-27 kg olan, yani elektronik kütlenin 1838 katı olan atom çekirdeğinin bileşenleridir. Yarıçapı yaklaşık 0,8 × 10-15m'dir, boyut olarak protona benzer, γ'ya benzer. Işınlar eşit derecede yüksüzdür. Nötronlar maddeyle etkileşime girdiğinde esas olarak çekirdeğin içindeki nükleer kuvvetlerle etkileşime girerler ve dış kabuktaki elektronlarla etkileşime girmezler.
Nükleer enerji ve nükleer reaktör teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, nükleer radyasyon güvenliği ve nükleer radyasyondan korunma konularına giderek daha fazla önem verilmektedir. Uzun süredir radyasyon ekipmanı bakımı ve kaza kurtarma işleriyle uğraşan operatörler için radyasyondan korunmayı güçlendirmek amacıyla, koruyucu giysiler için hafif koruyucu kompozitler geliştirmek büyük bilimsel öneme ve ekonomik değere sahiptir. Nötron radyasyonu nükleer reaktör radyasyonunun en önemli parçasıdır. Genel olarak insanlarla doğrudan temas halinde olan nötronların çoğu, nükleer reaktör içindeki yapısal malzemelerin nötron perdeleme etkisi sonrasında yavaşlayarak düşük enerjili nötronlara dönüşmüştür. Düşük enerjili nötronlar, daha düşük atom numarasına sahip çekirdeklerle elastik olarak çarpışacak ve denetlenmeye devam edecektir. Kontrollü termal nötronlar, daha büyük nötron soğurma kesitine sahip elementler tarafından soğurulacak ve sonunda nötron kalkanı elde edilecek.
② Önemli Patent Çalışması
Gözenekli ve organik-inorganik hibrit özelliklerinadir toprak elementigadolinyummetal bazlı organik iskelet malzemeleri polietilen ile uyumluluğunu artırarak sentezlenen kompozit malzemelerin daha yüksek gadolinyum içeriğine ve gadolinyum dispersiyonuna sahip olmasını teşvik eder. Yüksek gadolinyum içeriği ve dispersiyonu, kompozit malzemelerin nötron koruma performansını doğrudan etkileyecektir.
Anahtar patent: Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, gadolinyum bazlı organik çerçeve kompozit koruyucu malzemenin buluş patenti ve hazırlama yöntemi
Patent Özeti: Gadolinyum bazlı metal organik iskelet kompozit koruyucu malzeme karıştırılarak oluşturulan kompozit bir malzemedirgadolinyum2:1:10 ağırlık oranında polietilen içeren ve solvent buharlaştırma veya sıcak presleme yoluyla şekillendirilen metal bazlı organik iskelet malzemesi. Gadolinyum bazlı metal organik iskelet kompozit koruyucu malzemeler, yüksek termal stabiliteye ve termal nötron koruma yeteneğine sahiptir.
Üretim süreci: farklı seçimgadolinyum metaliFarklı gadolinyum bazlı metal organik iskelet malzemeleri hazırlamak ve sentezlemek için tuzlar ve organik ligandlar, bunları küçük metanol, etanol veya su molekülleriyle santrifüj yoluyla yıkamak ve reaksiyona girmemiş kalan ham maddeleri tamamen çıkarmak için vakum koşulları altında yüksek sıcaklıkta aktive etmek. gadolinyum bazlı metal organik iskelet malzemelerinin gözeneklerinde; Aşamada hazırlanan gadolinyum bazlı organometalik iskelet malzemesi, polietilen losyonla yüksek hızda veya ultrasonik olarak karıştırılır veya aşamada hazırlanan gadolinyum bazlı organometalik iskelet malzemesi, tamamen karışana kadar yüksek sıcaklıkta ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen ile eritilerek harmanlanır; Eşit şekilde karıştırılmış gadolinyum bazlı metal organik iskelet malzemesi/polietilen karışımını kalıba yerleştirin ve solvent buharlaşmasını veya sıcak preslemeyi teşvik etmek için kurutarak oluşturulan gadolinyum bazlı metal organik iskelet kompozit koruyucu malzemeyi elde edin; Hazırlanan gadolinyum bazlı metal organik iskelet kompozit koruyucu malzeme, saf polietilen malzemelerle karşılaştırıldığında önemli ölçüde geliştirilmiş ısı direncine, mekanik özelliklere ve üstün termal nötron koruma yeteneğine sahiptir.
Nadir toprak ekleme modu: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 veya Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 koordinasyon polimerizasyonuyla elde edilen gadolinyum içeren gözenekli kristal koordinasyon polimeriGd (NO3) 3 • 6H2O veya GdCl3 • 6H2Ove organik karboksilat ligandı; Gadolinyum bazlı metal organik iskelet malzemesinin boyutu 50nm-2 μm'dir; Gadolinyum bazlı metal organik iskelet malzemeleri granüler, çubuk şekilli veya iğne şekilli şekiller dahil olmak üzere farklı morfolojilere sahiptir.
（4） UygulamaSkandiyumRadyokimya ve nükleer endüstride
Skandiyum metali iyi bir termal stabiliteye ve güçlü flor emme performansına sahiptir, bu da onu atom enerjisi endüstrisinde vazgeçilmez bir malzeme haline getirmektedir.
Anahtar patent: Çin Havacılık ve Uzay Geliştirme Pekin Havacılık Malzemeleri Enstitüsü, alüminyum çinko magnezyum skandiyum alaşımı ve hazırlama yöntemi için buluş patenti
Patent özeti: Bir alüminyum çinkomagnezyum skandiyum alaşımıve hazırlanma yöntemi. Alüminyum çinko magnezyum skandiyum alaşımının kimyasal bileşimi ve ağırlık yüzdesi şöyledir: Mg %1,0 -%2,4, Zn %3,5 -%5,5, Sc %0,04 -%0,50, Zr %0,04 -%0,35, safsızlıklar Cu ≤ %0,2, Si ≤ %0,35, Fe ≤ %0,4, diğer safsızlıklar tek ≤ %0,05, diğer safsızlıkların toplamı ≤ %0,15 ve geri kalan miktar Al'dir. Bu alüminyum çinko magnezyum skandiyum alaşımlı malzemenin mikro yapısı tekdüzedir ve kaynaklı bağlantılar için 400 MPa'nın üzerinde nihai çekme mukavemeti, 350 MPa'nın üzerinde akma mukavemeti ve 370 MPa'nın üzerinde çekme mukavemeti ile performansı stabildir. Malzeme ürünleri havacılık, nükleer endüstri, ulaşım, spor malzemeleri, silahlar ve diğer alanlarda yapısal elemanlar olarak kullanılabilir.
Üretim süreci: Adım 1, yukarıdaki alaşım bileşimine göre içerik maddesi; Adım 2: Eritme fırınında 700°C~780°C sıcaklıkta eritin; Adım 3: Tamamen erimiş metal sıvıyı rafine edin ve rafinasyon sırasında metal sıcaklığını 700 ℉~750 ℉ aralığında tutun; Adım 4: Rafine edildikten sonra tamamen hareketsiz kalmasına izin verilmelidir; Adım 5: Tamamen durduktan sonra döküme başlayın, fırın sıcaklığını 690 ℉ ~ 730 ℉ aralığında tutun ve döküm hızı 15-200 mm/dakikadır; Adım 6: Isıtma fırınındaki alaşım külçesi üzerinde homojenizasyon tavlama işlemini 400 ℉ ~ 470 ℉'lik bir homojenizasyon sıcaklığı ile gerçekleştirin; Adım 7: Homojenleştirilmiş külçeyi soyun ve et kalınlığı 2,0 mm'nin üzerinde profiller üretmek için sıcak ekstrüzyon gerçekleştirin. Ekstrüzyon işlemi sırasında kütük 350 ° C ila 410 ° C sıcaklıkta tutulmalıdır; Adım 8: Çözelti söndürme işlemi için profili 460-480 °C'lik bir çözelti sıcaklığıyla sıkın; Adım 9: 72 saatlik katı çözelti söndürüldükten sonra, yaşlandırmayı manuel olarak zorlayın. Manuel kuvvet yaşlandırma sistemi: 90~110 ℃/24 saat+170~180 ℃/5 saat veya 90~110 ℃/24 saat+145~155 ℃/10 saat.
5、 Araştırma Özeti
Genel olarak bakıldığında, nadir topraklar nükleer füzyon ve nükleer fisyonda yaygın olarak kullanılmaktadır ve X-ışını uyarımı, plazma oluşumu, hafif su reaktörü, transuranyum, uranil ve oksit tozu gibi teknik yönlerde birçok patent düzenine sahiptir. Reaktör malzemelerine gelince, nadir topraklar reaktör yapısal malzemeleri ve ilgili seramik yalıtım malzemeleri, kontrol malzemeleri ve nötron radyasyonundan korunma malzemeleri olarak kullanılabilir.
Gönderim zamanı: Mayıs-26-2023