1、 Nükleer Malzemelerin Tanımı
Nükleer malzeme, geniş anlamda, nükleer yakıt ve nükleer mühendislik malzemeleri, yani nükleer olmayan yakıt malzemeleri de dahil olmak üzere, yalnızca nükleer endüstride ve nükleer bilimsel araştırmalarda kullanılan malzemelerin genel adıdır.
Yaygın olarak nükleer malzemeler olarak adlandırılanlar, esas olarak reaktörün çeşitli parçalarında kullanılan ve reaktör malzemeleri olarak da bilinen 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 reaktörün dışına nötron sızıntısını önleyen yansıtıcı malzemeler bulunur.
2、 Nadir toprak kaynakları ile nükleer kaynaklar arasındaki ilişkili ilişki
Monazit, fosfoserit ve fosfoserit olarak da bilinir, orta asitli magmatik kayaç ve metamorfik kayaçta yaygın bir aksesuar mineralidir. 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 yarılma, 5-5.5 Mohs sertliği ve 4.9-5.5 özgül ağırlık.
Çin'deki bazı placer tipi nadir toprak yataklarının ana cevher minerali monazittir ve çoğunlukla Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan ve Guangxi'deki He County'de bulunur. Ancak placer tipi nadir toprak kaynaklarının çıkarılması genellikle ekonomik öneme sahip değildir. Tek taşlar genellikle yansıtıcı toryum elementleri içerir ve aynı zamanda ticari plütonyumun ana kaynağıdır.
3、 Patent panoramik analizine dayalı nükleer füzyon ve nükleer fisyonda nadir toprak uygulamalarına genel bakış
Nadir toprak elementlerinin anahtar sözcükleri tamamen genişletildikten sonra, nükleer fisyon ve nükleer füzyonun genişleme anahtarları ve sınıflandırma numaralarıyla birleştirilerek Incopt veritabanında aranır. Arama tarihi 24 Ağustos 2020'dir. Basit aile birleşmesinden sonra 4837 patent elde edildi ve yapay gürültü azaltmasından sonra 4673 patent belirlendi.
Nükleer fisyon veya nükleer füzyon alanındaki nadir toprak patent başvuruları 56 ülke/bölgeye dağılmış olup, çoğunlukla Japonya, Çin, ABD, Almanya ve Rusya vb.'de yoğunlaşmıştır. Önemli sayıda patent PCT şeklinde başvurulmuştur; bunlardan Çin patent teknolojisi başvuruları özellikle 2009'dan bu yana artarak hızlı bir büyüme aşamasına girmiş ve Japonya, ABD ve Rusya bu alanda uzun yıllardır yer almaya devam etmiştir (Şekil 1).
Şekil 1 Ülkelerde/bölgelerde nükleer fisyon ve nükleer füzyonda nadir toprak uygulamasıyla ilgili teknoloji patentlerinin uygulama eğilimi
Teknik temaların analizinden, nadir toprak elementlerinin nükleer füzyon ve nükleer fisyonda uygulanmasının yakıt elemanları, sintilatörler, radyasyon dedektörleri, aktinitler, plazmalar, nükleer reaktörler, kalkanlama malzemeleri, nötron emilimi ve diğer teknik alanlara odaklandığı görülmektedir.
4、 Nükleer Malzemelerde Nadir Toprak Elementlerinin Belirli Uygulamaları ve Temel Patent Araştırmaları
Bunlar arasında nükleer malzemelerdeki nükleer füzyon ve nükleer fisyon reaksiyonları yoğundur ve malzemeler için gereklilikler katıdır. Şu anda, güç reaktörleri çoğunlukla nükleer fisyon reaktörleridir ve füzyon reaktörleri 50 yıl sonra büyük ölçekte popüler hale gelebilir. Uygulamanadir toprakReaktör yapısal malzemelerinde elementler; Belirli nükleer kimyasal alanlarda, nadir toprak elementleri esas olarak kontrol çubuklarında kullanılır; Ek olarak,skandiyumradyokimya ve nükleer sanayide de kullanılmaktadır.
（1） Nükleer reaktörün nötron seviyesini ve kritik durumunu ayarlamak için yanıcı zehir veya kontrol çubuğu olarak
Güç reaktörlerinde, yeni çekirdeklerin başlangıçtaki artık reaktivitesi genellikle nispeten yüksektir. Özellikle çekirdekteki tüm nükleer yakıt yeni olduğunda, ilk yakıt ikmal döngüsünün erken aşamalarında, kalan reaktivite en yüksektir. Bu noktada, artık reaktiviteyi telafi etmek için yalnızca kontrol çubuklarını artırmaya güvenmek daha fazla kontrol çubuğu getirecektir. Her kontrol çubuğu (veya çubuk demeti), karmaşık bir tahrik mekanizmasının tanıtımına karşılık gelir. Bir yandan, bu maliyetleri artırırken, diğer yandan, basınçlı kap kafasında delikler açmak yapısal mukavemette bir azalmaya yol açabilir. Sadece ekonomik olmamakla kalmaz, aynı zamanda basınçlı kap kafasında belirli miktarda gözeneklilik ve yapısal mukavemete sahip olunmasına da izin verilmez. Ancak, kontrol çubuklarını artırmadan, kalan reaktiviteyi telafi etmek için kimyasal telafi edici toksinlerin (borik asit gibi) konsantrasyonunu artırmak gerekir. Bu durumda, bor konsantrasyonunun eşiği aşması kolaydır ve moderatörün sıcaklık katsayısı pozitif hale gelir.
Yukarıda belirtilen sorunların önüne geçmek için, genellikle yanıcı toksinler, kontrol çubukları ve kimyasal kompanzasyon kontrolünün bir kombinasyonu kontrol amacıyla kullanılabilir.
(2) Reaktör yapısal malzemelerinin performansını artırmak için bir katkı maddesi olarak
Reaktörlerin yapısal bileşenleri ve yakıt elemanlarının belirli bir düzeyde mukavemete, korozyon direncine ve yüksek termal kararlılığa sahip olması gerekirken, aynı zamanda fisyon ürünlerinin soğutucuya girmesinin de önlenmesi gerekir.
1) .Nadir toprak çeliği
Nükleer reaktör aşırı fiziksel ve kimyasal koşullara sahiptir ve reaktörün her bir bileşeninin kullanılan özel çelik için de yüksek gereksinimleri vardır. Nadir toprak elementleri çelik üzerinde özellikle saflaştırma, metamorfizma, mikro alaşımlama ve korozyon direncinin iyileştirilmesi gibi özel modifikasyon etkilerine sahiptir. Nadir toprak içeren çelikler de nükleer reaktörlerde yaygın olarak kullanılır.
① Arıtma etkisi: Mevcut araştırmalar, nadir toprak elementlerinin yüksek sıcaklıklarda erimiş çelik üzerinde iyi bir arıtma etkisine sahip olduğunu göstermiştir. Bunun nedeni, nadir toprak elementlerinin erimiş çelikteki oksijen ve kükürt gibi zararlı elementlerle reaksiyona girerek yüksek sıcaklık bileşikleri üretebilmesidir. Yüksek sıcaklık bileşikleri, erimiş çelik yoğunlaşmadan önce çökeltiler şeklinde çökeltilebilir ve boşaltılabilir, böylece erimiş çelikteki safsızlık içeriği azaltılabilir.
② Metamorfizma: Öte yandan, erimiş çelikteki nadir toprakların oksijen ve kükürt gibi zararlı elementlerle reaksiyonu sonucu oluşan oksitler, sülfitler veya oksisülfitler, erimiş çelikte kısmen tutulabilir ve yüksek erime noktasına sahip çelik kapanımları haline gelebilir. Bu kapanımlar, erimiş çeliğin katılaşması sırasında heterojen çekirdeklenme merkezleri olarak kullanılabilir ve böylece çeliğin şekli ve yapısı iyileştirilebilir.
③ Mikro alaşımlama: Nadir toprak elementlerinin ilavesi daha da artırılırsa, yukarıdaki saflaştırma ve metamorfizma tamamlandıktan sonra kalan nadir toprak elementleri çelikte çözülecektir. Nadir toprak elementlerinin atom yarıçapı demir atomunun atom yarıçapından daha büyük olduğundan, nadir toprak elementleri daha yüksek yüzey aktivitesine sahiptir. Erimiş çeliğin katılaşma süreci sırasında, nadir toprak elementleri tane sınırında zenginleşir, bu da tane sınırındaki kirlilik elementlerinin ayrışmasını daha iyi azaltabilir, böylece katı çözeltiyi güçlendirebilir ve mikro alaşımlama rolünü oynayabilir. Öte yandan, nadir toprak elementlerinin hidrojen depolama özellikleri nedeniyle, çelikteki hidrojeni emebilir, böylece çeliğin hidrojen gevrekleşmesi olgusunu etkili bir şekilde iyileştirebilir.
④ Korozyon direncini artırma: Nadir toprak elementlerinin eklenmesi, çeliğin korozyon direncini de artırabilir. Bunun nedeni, nadir toprak elementlerinin paslanmaz çelikten daha yüksek bir kendi kendine korozyon potansiyeline sahip olmasıdır. Bu nedenle, nadir toprak elementlerinin eklenmesi, paslanmaz çeliğin kendi kendine korozyon potansiyelini artırabilir ve böylece çeliğin aşındırıcı ortamlardaki kararlılığını artırabilir.
2). Temel Patent Çalışması
Anahtar patent: Çin Bilimler Akademisi Metaller Enstitüsü tarafından oksit dispersiyonla güçlendirilmiş düşük aktivasyonlu çelik ve hazırlama yönteminin buluş patenti
Patent özeti: Füzyon reaktörleri için uygun oksit dispersiyonlu güçlendirilmiş düşük aktivasyonlu bir çelik ve hazırlama yöntemi sunulmaktadır; bu çelik, düşük aktivasyonlu çeliğin toplam kütlesindeki alaşım elementlerinin yüzdesinin şu şekilde olmasıyla karakterize edilmektedir: matris 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 ve %0,05 ≤ Y2O3 ≤ %0,5'tir.
Üretim süreci: Fe-Cr-WV-Ta-Mn ana alaşım eritme, toz atomizasyonu, ana alaşımın yüksek enerjili bilyalı öğütülmesi veY2O3 nanopartikülkarışık toz, toz zarflama ekstraksiyonu, katılaştırma kalıplama, sıcak haddeleme ve ısıl işlem.
Nadir toprak elementi ekleme yöntemi: Nanometre ölçeğinde eklemeY2O3Yüksek enerjili bilyalı öğütme için ana alaşımlı atomize toz parçacıkları, bilyalı öğütme ortamı olarak Φ 6 ve Φ 10 karışık sert çelik bilyeler, %99,99 argon gazlı bilyalı öğütme atmosferi, (8-10): 1 bilya malzeme kütle oranı, 40-70 saatlik bilyalı öğütme süresi ve 350-500 dev/dak dönme hızı.
3）.Nötron radyasyon koruma malzemeleri yapmak için kullanılır
① Nötron radyasyon korumasının ilkesi
Nötronlar, 1,675 × 10-27 kg'lık statik kütleye sahip atom çekirdeklerinin bileşenleridir, bu da elektronik kütlenin 1838 katıdır. Yarıçapı yaklaşık 0,8 × 10-15 m'dir, bir protona benzer, γ'ye benzer Işınlar eşit derecede yüksüzdür. Nötronlar maddeyle etkileşime girdiğinde, esas olarak çekirdeğin içindeki nükleer kuvvetlerle etkileşime girer ve dış kabuktaki elektronlarla etkileşime girmez.
Nükleer enerji ve nükleer reaktör teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte nükleer radyasyon güvenliği ve nükleer radyasyon korumasına giderek daha fazla dikkat edilmektedir. Uzun süredir radyasyon ekipmanı bakımı ve kaza kurtarma ile uğraşan operatörler için radyasyon korumasını güçlendirmek amacıyla, koruyucu giysiler için hafif kalkanlama kompozitleri geliştirmek büyük bilimsel öneme ve ekonomik değere sahiptir. Nötron radyasyonu nükleer reaktör radyasyonunun en önemli parçasıdır. Genellikle, insanlarla doğrudan temas halinde olan nötronların çoğu, nükleer reaktör içindeki yapısal malzemelerin nötron kalkanlama etkisinden sonra düşük enerjili nötronlara yavaşlatılmıştır. Düşük enerjili nötronlar, daha düşük atom numaralı çekirdeklerle elastik olarak çarpışacak ve yumuşatılmaya devam edecektir. Yumuşatılmış termal nötronlar, daha büyük nötron emilim kesitlerine sahip elementler tarafından emilecektir ve son olarak nötron kalkanlaması elde edilecektir.
② Anahtar Patent Çalışması
Gözenekli ve organik-inorganik hibrit özelliklerinadir toprak elementigadolinyumbazlı metal organik iskelet malzemeleri polietilenle uyumluluklarını artırarak sentezlenen kompozit malzemelerin daha yüksek gadolinyum içeriğine ve gadolinyum dağılımına sahip olmasını sağlar. Yüksek gadolinyum içeriği ve dağılımı, kompozit malzemelerin nötron kalkanlama performansını doğrudan etkileyecektir.
Anahtar patent: Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, gadolinyum bazlı organik çerçeve kompozit kalkanlama malzemesinin ve hazırlama yönteminin icat patenti
Patent Özeti: Gadolinyum esaslı metal organik iskelet kompozit kalkanlama malzemesi, karıştırılarak oluşturulan bir kompozit malzemedir.gadolinyumAğırlık oranı 2:1:10 olan polietilen bazlı metal organik iskelet malzemesi ve çözücü buharlaştırma veya sıcak presleme yoluyla oluşturulması. Gadolinyum bazlı metal organik iskelet kompozit kalkanlama malzemeleri yüksek termal kararlılığa ve termal nötron kalkanlama yeteneğine sahiptir.
Üretim süreci: farklı seçimgadolinyum metaliTuzlar ve organik ligandlar, farklı tipte gadolinyum esaslı metal organik iskelet malzemelerini hazırlamak ve sentezlemek için, bunları santrifüjleme yoluyla küçük metanol, etanol veya su molekülleriyle yıkayarak ve vakum koşulları altında yüksek sıcaklıkta aktive ederek gadolinyum esaslı metal organik iskelet malzemelerinin gözeneklerindeki reaksiyona girmemiş kalan hammaddeleri tamamen uzaklaştırmak; Adımda hazırlanan gadolinyum esaslı organometalik iskelet malzemesi, yüksek hızda veya ultrasonik olarak polietilen losyonu ile karıştırılır veya adımda hazırlanan gadolinyum esaslı organometalik iskelet malzemesi, tamamen karışana kadar yüksek sıcaklıkta ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen ile eritilerek harmanlanır; Eşit şekilde karıştırılmış gadolinyum esaslı metal organik iskelet malzemesi/polietilen karışımını kalıba yerleştirin ve çözücü buharlaşmasını teşvik etmek için kurutarak veya sıcak presleme yaparak oluşturulmuş gadolinyum esaslı metal organik iskelet kompozit koruma malzemesini elde edin; Hazırlanan gadolinyum esaslı metal organik iskelet kompozit koruma malzemesi, saf polietilen malzemelere kıyasla önemli ölçüde iyileştirilmiş ısı direncine, mekanik özelliklere ve üstün termal nötron koruma yeteneğine sahiptir.
Nadir toprak ekleme modu: Gadolinyum içeren Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 veya Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 gözenekli kristal koordinasyon polimeri, koordinasyon polimerizasyonu ile elde edilir.Gd (NO3) 3 • 6H2O veya GdCl3 • 6H2Ove organik karboksilat ligandı; Gadolinyum esaslı metal organik iskelet malzemesinin boyutu 50nm-2 μ m'dir; Gadolinyum esaslı metal organik iskelet malzemeleri, granüler, çubuk şeklinde veya iğne şeklinde şekiller dahil olmak üzere farklı morfolojilere sahiptir.
(4) UygulamasıİskandiyumRadyokimya ve nükleer endüstride
İskandiyum metali iyi termal kararlılığa ve güçlü flor absorpsiyon performansına sahip olduğundan atom enerjisi endüstrisinde vazgeçilmez bir malzemedir.
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 hazırlama 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 başına ≤%0,05, diğer safsızlıklar toplam ≤%0,15 ve kalan miktar Al'dir. Bu alüminyum çinko magnezyum skandiyum alaşımı malzemenin mikro yapısı düzgündür ve performansı stabildir, 400 MPa'nın üzerinde nihai çekme dayanımı, 350 MPa'nın üzerinde akma dayanımı ve kaynaklı bağlantılar için 370 MPa'nın üzerinde çekme dayanımına sahiptir. Malzeme ürünleri havacılık, nükleer sanayi, ulaştırma, spor malzemeleri, silah ve diğer alanlarda yapısal eleman olarak kullanılabilir.
Üretim süreci: Adım 1, yukarıdaki alaşım bileşimine göre bileşen; Adım 2: Eritme fırınında 700 ℃ ~ 780 ℃ sıcaklıkta eritin; Adım 3: Tamamen erimiş metal sıvısını rafine edin ve rafine etme sırasında metal sıcaklığını 700 ℃ ~ 750 ℃ aralığında tutun; Adım 4: Rafine ettikten sonra tamamen durmasına izin verilmelidir; Adım 5: Tamamen durduktan sonra döküme başlayın, fırın sıcaklığını 690 ℃ ~ 730 ℃ aralığında tutun ve döküm hızı 15-200 mm / dakikadır; Adım 6: Alaşım külçesine, 400 ℃ ~ 470 ℃ homojenizasyon sıcaklığı ile ısıtma fırınında homojenizasyon tavlama işlemini gerçekleştirin; Adım 7: Homojenize edilmiş külçeyi soyun ve 2,0 mm'den fazla duvar kalınlığına sahip profiller üretmek için sıcak ekstrüzyon gerçekleştirin. Ekstrüzyon işlemi sırasında, kütük 350 ℃ ila 410 ℃ sıcaklıkta tutulmalıdır; Adım 8: Çözelti sıcaklığı 460-480 ℃ olan profili çözelti söndürme işlemi için sıkın; Adım 9: 72 saatlik katı çözelti söndürme işleminden sonra, manuel olarak zorla yaşlandırma yapın. Manuel zorla yaşlandırma sistemi: 90~110 ℃/24 saat + 170~180 ℃/5 saat veya 90~110 ℃/24 saat + 145~155 ℃/10 saattir.
5、 Araştırma Özeti
Genel olarak, nadir toprak elementleri nükleer füzyon ve nükleer fisyonda yaygın olarak kullanılır 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 toprak elementleri reaktör yapısal malzemeleri ve ilgili seramik yalıtım malzemeleri, kontrol malzemeleri ve nötron radyasyon koruma malzemeleri olarak kullanılabilir.
Yayınlanma zamanı: 26-Mayıs-2023