Aplikasi Unsur Bumi Langka dina Bahan Nuklir

1, Harti Bahan Nuklir

Dina harti anu lega, bahan nuklir nyaéta istilah umum pikeun bahan anu dianggo sacara éksklusif dina industri nuklir sareng panalungtikan ilmiah nuklir, kalebet bahan bakar nuklir sareng bahan rékayasa nuklir, nyaéta bahan bakar non-nuklir.

Bahan nuklir anu biasa disebut bahan nuklir biasana nujul kana bahan anu dianggo dina sababaraha bagian reaktor, ogé katelah bahan réaktor.Bahan réaktor ngawengku suluh nuklir anu ngalaman fisi nuklir dina kaayaan bombardment neutron, bahan cladding pikeun komponén suluh nuklir, coolant, moderator neutron (moderator), bahan rod kontrol anu kuat nyerep neutron, sarta bahan reflective nu nyegah bocor neutron di luar reaktor.

2. Hubungan anu aya hubunganana antara sumber daya bumi jarang sareng sumber daya nuklir

Monazite, disebut oge phosphocerite na phosphocerite, mangrupakeun mineral aksésori umum dina batu beku asam panengah jeung batu métamorf.Monasit nyaéta salah sahiji mineral utama bijih logam bumi jarang, sarta ogé aya dina sababaraha batu sédimén.Beureum semu coklat, koneng, sakapeung konéng semu coklat, kalayan kilap greasy, belahan lengkep, karasa Mohs 5-5,5, sareng gravitasi spésifik 4,9-5,5.

Mineral bijih utama sababaraha jenis placer deposit bumi jarang di Cina nyaéta monazite, utamana ayana di Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, sarta He County, Guangxi.Tapi, ékstraksi sumber daya bumi jarang tipe placer mindeng teu boga significance ékonomi.Batu solitér mindeng ngandung elemen thorium refleksif sarta ogé mangrupa sumber utama plutonium komérsial.

3, Tinjauan aplikasi bumi jarang dina fusi nuklir sareng fisi nuklir dumasar kana analisis panoramik patén

Saatos kecap konci unsur milarian bumi jarang dilegaan pinuh, aranjeunna digabungkeun sareng konci ékspansi sareng nomer klasifikasi fisi nuklir sareng fusi nuklir, sareng milarian dina pangkalan data Incopt.Tanggal pilarian nyaéta 24 Agustus 2020. 4837 patén-patén diala sanggeus ngahiji kulawarga basajan, sarta 4673 patén-patén ditangtukeun sanggeus réduksi noise jieunan.

Aplikasi patén bumi jarang dina widang fisi nuklir atanapi fusi nuklir disebarkeun di 56 nagara/wilayah, utamana dikonsentrasi di Jepang, Cina, Amérika Serikat, Jérman jeung Rusia, jeung sajabana. , nu aplikasi téhnologi patén Cina geus ngaronjatkeun, utamana saprak 2009, asup kana tahap tumuwuhna gancang, sarta Jepang, Amérika Serikat jeung Rusia geus terus perenah dina widang ieu salila sababaraha taun (Gambar 1).

Gambar 1 Tren aplikasi patén téknologi anu aya hubunganana sareng aplikasi bumi jarang dina fisi nuklir nuklir sareng fusi nuklir di nagara / daérah.

Ieu tiasa ditingali tina analisis téma téknis yén aplikasi bumi jarang dina fusi nuklir sareng fisi nuklir museurkeun kana unsur suluh, scintillator, detektor radiasi, aktinida, plasma, réaktor nuklir, bahan pelindung, nyerep neutron sareng arah téknis anu sanés.

4, Aplikasi Spésifik sareng Panalungtikan Patén Konci Unsur Bumi Langka dina Bahan Nuklir

Di antarana, fusi nuklir jeung réaksi fisi nuklir dina bahan nuklir sengit, sarta sarat pikeun bahan ketat.Ayeuna, réaktor kakuatan utamana réaktor fisi nuklir, sareng réaktor fusi tiasa dipopulerkeun dina skala ageung saatos 50 taun.Aplikasi tinabumi jarangelemen dina bahan struktural reaktor;Dina widang kimia nuklir husus, unsur jarang bumi utamana dipaké dina rod kontrol;Salaku tambahan,skandiumogé geus dipaké dina radiokimia jeung industri nuklir.

（1） Salaku racun kaduruk atanapi rod kontrol pikeun nyaluyukeun tingkat neutron sareng kaayaan kritis reaktor nuklir.

Dina réaktor kakuatan, réaktivitas sésa awal inti anyar umumna kawilang luhur.Utamana dina tahap awal siklus refueling munggaran, nalika sadaya bahan bakar nuklir dina inti anyar, réaktivitas sésana nyaéta pangluhurna.Dina titik ieu, ngan ngandelkeun kanaékan rod kontrol pikeun ngimbangan réaktivitas sésa bakal ngawanohkeun rod kontrol leuwih.Unggal rod kontrol (atawa rod kebat) pakait jeung bubuka mékanisme nyetir kompléks.Di hiji sisi, ieu ngaronjatkeun biaya, sarta di sisi séjén, muka liang dina sirah wadah tekanan bisa ngakibatkeun panurunan dina kakuatan struktural.Henteu ngan éta uneconomical, tapi ogé teu diwenangkeun pikeun mibanda jumlah nu tangtu porosity jeung kakuatan struktural dina sirah wadah tekanan.Sanajan kitu, tanpa ngaronjatkeun rod kontrol, perlu pikeun ngaronjatkeun konsentrasi kimia compensating racun (kayaning asam boric) pikeun ngimbangan réaktivitas sésana.Dina hal ieu, konsentrasi boron gampang ngaleuwihan bangbarung, sareng koefisien suhu moderator bakal positip.

Pikeun ngahindarkeun masalah anu disebut tadi, kombinasi racun kaduruk, rod kontrol, jeung kontrol santunan kimiawi umumna bisa dipaké pikeun kontrol.

（2） Salaku dopant pikeun ningkatkeun kinerja bahan struktural reaktor

Réaktor merlukeun komponén struktural jeung elemen suluh boga tingkat nu tangtu kakuatan, résistansi korosi, jeung stabilitas termal tinggi, bari ogé nyegah produk fisi asup coolant nu.

1) .Rare earth steel

Réaktor nuklir ngagaduhan kaayaan fisik sareng kimia anu ekstrim, sareng unggal komponén réaktor ogé ngagaduhan syarat anu luhur pikeun baja khusus anu dianggo.Unsur bumi jarang gaduh épék modifikasi khusus dina baja, utamina kalebet purifikasi, métamorfisme, microalloying, sareng ningkatkeun résistansi korosi.Rare earth ngandung steels ogé loba dipaké dina réaktor nuklir.

① Pangaruh purifikasi: Panaliti anu aya parantos nunjukkeun yén bumi jarang gaduh pangaruh purifikasi anu hadé dina baja lebur dina suhu anu luhur.Ieu kusabab taneuh jarang tiasa ngaréaksikeun sareng unsur ngabahayakeun sapertos oksigén sareng walirang dina baja lebur pikeun ngahasilkeun sanyawa suhu luhur.Sanyawa-suhu luhur bisa precipitated na discharged dina bentuk inclusions saméméh condenses baja molten, kukituna ngurangan eusi najis dina baja molten.

② Metamorphism: di sisi séjén, oksida, sulfida atawa oxysulfides dihasilkeun ku réaksi taneuh jarang dina baja molten jeung elemen ngabahayakeun kayaning oksigén jeung walirang bisa sawaréh dipikagaduh dina baja molten tur jadi inclusions tina baja jeung titik lebur tinggi. .Inclusions ieu bisa dipaké salaku puseur nucleation hétérogén salila solidification tina baja molten, sahingga ngaronjatkeun bentuk jeung struktur baja.

③ Microalloying: upami tambihan bumi jarang ningkat, bumi jarang sésana bakal leyur dina baja saatos purifikasi sareng métamorfisme di luhur réngsé.Kusabab jari-jari atom bumi jarang langkung ageung tibatan atom beusi, bumi jarang gaduh kagiatan permukaan anu langkung luhur.Salila prosés solidification tina baja molten, elemen bumi langka anu enriched di wates sisikian, nu bisa hadé ngurangan segregation unsur impurity dina wates sisikian, sahingga strengthening solusi padet tur maénkeun peran microalloying.Di sisi anu sanésna, kusabab karakteristik panyimpen hidrogén tina taneuh jarang, aranjeunna tiasa nyerep hidrogén dina baja, ku kituna sacara efektif ningkatkeun fenomena embrittlement hidrogén tina baja.

④ Ningkatkeun résistansi korosi: Penambahan unsur bumi jarang ogé tiasa ningkatkeun résistansi korosi baja.Ieu kusabab taneuh jarang gaduh poténsi korosi diri anu langkung luhur tibatan stainless steel.Ku alatan éta, ditambah taneuh jarang bisa ngaronjatkeun potensi diri korosi stainless steel, kukituna ngaronjatkeun stabilitas baja dina média corrosive.

2).Ulikan Patén konci

Patén konci: patén penemuan dispersi oksida nguatkeun baja aktivasina rendah sareng metode persiapanna ku Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Abstrak Patén: Disadiakeun mangrupa dispersi oksida strengthened baja aktivasina low cocog pikeun réaktor fusi sarta metoda persiapan na, dicirikeun ku persentase unsur alloy dina total massa tina baja aktivasina low nyaeta: matrix nyaeta 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% ≤ V ≤ 0.3%, 0.03% ≤ Ta ≤ 0.2%, 0.1 % 2O3 ≤ 0,5% .

Prosés manufaktur: Fe-Cr-WV-Ta-Mn alloy indung smelting, bubuk atomization, tinggi-énergi ball panggilingan tina alloy indung jeungNanopartikel Y2O3bubuk dicampur, bubuk enveloping ékstraksi, solidification molding, rolling panas, sarta perlakuan panas.

Metoda tambahan taneuh jarang: Tambahkeun skala nanoY2O3partikel kana alloy indungna bubuk atomized pikeun-énergi tinggi ball panggilingan, jeung bola panggilingan sedeng keur Φ 6 jeung Φ 10 dicampur bal baja teuas, jeung bola panggilingan atmosfir 99,99% gas argon, a ball ratio massa bahan (8- 10): 1, waktos panggilingan bola 40-70 jam, sarta speed rotational 350-500 r / mnt.

3）. Dipaké pikeun nyieun bahan panyalindungan radiasi neutron

① Prinsip panyalindungan radiasi neutron

Neutron nyaéta komponén inti atom, kalayan massa statik 1,675 × 10-27kg, nyaéta 1838 kali massa éléktronik.Jari-jarina kira-kira 0,8 × 10-15m, ukuranana sarua jeung proton, sarupa jeung γ Sinar anu sarua teu boga muatan.Nalika neutron berinteraksi sareng materi, aranjeunna utamina berinteraksi sareng gaya nuklir di jero inti, sareng henteu berinteraksi sareng éléktron dina cangkang luar.

Kalayan ngembangkeun gancang énergi nuklir sareng téknologi réaktor nuklir, beuki seueur perhatian parantos dibayar pikeun kaamanan radiasi nuklir sareng panyalindungan radiasi nuklir.Dina raraga nguatkeun panyalindungan radiasi pikeun operator anu geus kalibet dina pangropéa peralatan radiasi jeung nyalametkeun kacilakaan pikeun lila, éta téh tina significance ilmiah hébat sarta nilai ékonomi pikeun ngembangkeun komposit shielding lightweight pikeun pakean pelindung.Radiasi neutron mangrupikeun bagian anu paling penting tina radiasi reaktor nuklir.Sacara umum, sabagéan ageung neutron dina kontak langsung jeung manusa geus kalem turun ka neutron low-énergi sanggeus pangaruh shielding neutron tina bahan struktural di jero reaktor nuklir.Neutron énergi low bakal tabrakan jeung inti nu nomer atom handap elastis tur terus jadi moderators.Neutron termal anu dimoderasi bakal diserep ku unsur-unsur anu ngagaduhan bagian melintang nyerep neutron anu langkung ageung, sareng tungtungna pelindung neutron bakal dihontal.

② Studi Patén konci

Sipat hibrid porous sareng organik-anorganik tinaunsur tanah jaranggadoliniumbahan rangka organik logam dumasar ngaronjatkeun kasaluyuan maranéhanana jeung poliétilén, promosi bahan komposit disintésis boga eusi gadolinium luhur sarta dispersi gadolinium.Eusi gadolinium luhur sarta dispersi bakal langsung mangaruhan kinerja shielding neutron tina bahan komposit.

Patén konci: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, penemuan patén tina kerangka organik dumasar gadolinium bahan shielding komposit jeung métode persiapan na

Abstrak Patén: Gadolinium dumasar logam kerangka organik bahan shielding komposit mangrupakeun bahan komposit dibentuk ku Pergaulangadoliniumbahan rangka organik logam dumasar kana poliétilén dina nisbah beurat 2:1:10 sarta ngabentuk ngaliwatan évaporasi pangleyur atawa panas mencét.Gadolinium dumasar logam kerangka organik bahan shielding komposit boga stabilitas termal tinggi jeung kamampuhan shielding neutron termal.

Prosés manufaktur: milih bédalogam gadoliniumuyah jeung ligan organik pikeun nyiapkeun sarta nyintésis tipena béda bahan rangka organik logam dumasar gadolinium, ngumbah aranjeunna kalayan molekul leutik métanol, étanol, atawa cai ku sentrifugasi, sarta ngaktipkeun aranjeunna dina suhu luhur dina kaayaan vakum pikeun pinuh nyabut residual bahan baku unreacted. dina pori bahan rangka organik logam dumasar gadolinium;Bahan kerangka organologam dumasar gadolinium anu disiapkeun dina léngkah diaduk sareng lotion poliétilén dina kecepatan anu luhur, atanapi sacara ultrasonik, atanapi bahan rangka organologam dumasar gadolinium anu disiapkeun dina léngkah dilebur dicampur sareng poliétilén beurat molekul ultra luhur dina suhu luhur dugi ka dicampur pinuh;Teundeun seragam gadolinium dumasar logam bahan rangka organik / campuran poliétilén dina kapang, sarta ménta gadolinium kabentuk dumasar logam kerangka organik bahan shielding komposit ku drying ngamajukeun évaporasi pangleyur atawa panas mencét;Bahan pelindung komposit kerangka organik logam dumasar gadolinium parantos ningkat sacara signifikan résistansi panas, sipat mékanis, sareng kamampuan ngalindungan neutron termal langkung saé dibandingkeun bahan poliétilén murni.

Modus tambahan bumi jarang: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 atanapi Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porous porous polimér koordinasi kristalin ngandung gadolinium, nu diala ku polimérisasi koordinasi tinaGd (NO3) 3 • 6H2O atanapi GdCl3 • 6H2Ojeung ligan karboksilat organik;Ukuran bahan rangka organik logam dumasar gadolinium nyaéta 50nm-2 μm; bahan kerangka organik logam dumasar gadolinium gaduh morfologi anu béda, kalebet bentuk granular, rod, atanapi bentuk jarum.

(4) Aplikasi tinaSkandiumdina Radiokimia sareng industri nuklir

logam Scandium boga stabilitas termal alus sarta kinerja nyerep fluorine kuat, sahingga hiji bahan indispensable dina industri énergi atom.

Patén konci: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patén penemuan pikeun alloy aluminium séng magnesium scandium sareng metode persiapanna

abstrak Patén: Hiji séng aluminiumalloy magnésium skandiumsareng metode persiapanna.Komposisi kimia sareng persentase beurat tina alloy aluminium séng magnesium scandium nyaéta: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, najis Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, pangotor séjén tunggal ≤ 0,05%, pangotor séjén total ≤ 0,15%, sarta jumlah sésana nyaéta Al.Struktur mikro bahan alloy aluminium séng magnesium scandium ieu seragam jeung kinerja na stabil, kalawan kakuatan tensile pamungkas leuwih 400MPa, kakuatan ngahasilkeun leuwih 350MPa, sarta kakuatan tensile of leuwih 370MPa pikeun sambungan dilas.Produk bahan bisa dipaké salaku elemen struktural di aerospace, industri nuklir, transportasi, barang olahraga, pakarang jeung widang lianna.

Prosés manufaktur: Lengkah 1, bahan nurutkeun komposisi alloy luhur;Lengkah 2: Lebur dina tungku smelting dina suhu 700 ℃ ~ 780 ℃;Lengkah 3: Nyaring cairan logam lengkep dilebur, sarta ngajaga suhu logam dina rentang 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​salila pemurnian;Hambalan 4: Saatos pemurnian, éta kudu pinuh diwenangkeun nangtung kénéh;Lengkah 5: Saatos pinuh nangtung, mimitian casting, ngajaga suhu tungku dina rentang 690 ℃ ~ 730 ℃, sarta laju casting nyaeta 15-200mm / menit;Lengkah 6: Ngalakukeun perlakuan annealing homogenization dina ingot alloy dina tungku pemanasan, kalawan suhu homogenization of 400 ℃ ~ 470 ℃;Lengkah 7: Mesek ingot homogenized sarta ngalakukeun Tonjolan panas pikeun ngahasilkeun propil kalayan ketebalan témbok leuwih 2.0mm.Salila prosés Tonjolan, billet kudu dijaga dina suhu 350 ℃ nepi ka 410 ℃;Lengkah 8: Squeeze profil pikeun solusi quenching perlakuan, kalawan suhu solusi 460-480 ℃;Lengkah 9: Saatos 72 jam solusi padet quenching, sacara manual maksakeun sepuh.Sistem gaya sepuh manual nyaéta: 90 ~ 110 ℃ / 24 jam + 170 ~ 180 ℃ / 5 jam, atanapi 90 ~ 110 ℃ / 24 jam + 145 ~ 155 ℃ / 10 jam.

5. Ringkesan Panalungtikan

Sacara umum, bumi jarang dianggo dina fusi nuklir sareng fisi nuklir, sareng gaduh seueur perenah patén dina arah téknis sapertos éksitasi sinar-X, formasi plasma, réaktor cai cahaya, transuranium, uranil sareng bubuk oksida.Sedengkeun pikeun bahan reaktor, taneuh jarang bisa dipaké salaku bahan struktural reaktor jeung bahan insulasi keramik patali, bahan kontrol jeung bahan panyalindungan radiasi neutron.