1[UNK] Pengertian Bahan Nuklir
Dalam arti luas, bahan nuklir adalah istilah umum untuk bahan yang digunakan secara eksklusif dalam industri nuklir dan penelitian ilmiah nuklir, termasuk bahan bakar nuklir dan bahan rekayasa nuklir, yaitu bahan bukan bahan bakar nuklir.
Yang biasa disebut bahan nuklir terutama mengacu pada bahan yang digunakan di berbagai bagian reaktor, disebut juga bahan reaktor. Bahan reaktor antara lain bahan bakar nuklir yang mengalami fisi nuklir akibat pemboman neutron, bahan pelapis komponen bahan bakar nuklir, bahan pendingin, moderator neutron (moderator), bahan batang kendali yang menyerap neutron kuat, dan bahan reflektif yang mencegah kebocoran neutron ke luar reaktor.
2[UNK] Hubungan yang saling terkait antara sumber daya tanah jarang dan sumber daya nuklir
Monasit, juga disebut fosfoserit dan fosfoserit, adalah mineral aksesori umum pada batuan beku asam menengah dan batuan metamorf. Monasit adalah salah satu mineral utama bijih logam tanah jarang, dan juga terdapat di beberapa batuan sedimen. Merah kecoklatan, kuning, kadang kuning kecoklatan, berkilau berminyak, belahan sempurna, kekerasan Mohs 5-5,5, dan berat jenis 4,9-5,5.
Mineral bijih utama dari beberapa endapan tanah jarang jenis placer di Cina adalah monasit, terutama terletak di Kabupaten Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, dan He, Guangxi. Namun, ekstraksi sumber daya tanah jarang jenis placer seringkali tidak memiliki arti ekonomi yang signifikan. Batuan soliter sering kali mengandung unsur thorium refleksif dan juga merupakan sumber utama plutonium komersial.
3[UNK] Ikhtisar penerapan tanah jarang dalam fusi nuklir dan fisi nuklir berdasarkan analisis panorama paten
Setelah kata kunci pencarian unsur tanah jarang diperluas sepenuhnya, digabungkan dengan kunci perluasan dan nomor klasifikasi fisi nuklir dan fusi nuklir, dan dicari di database Incopt. Tanggal pencariannya adalah 24 Agustus 2020. 4837 paten diperoleh setelah penggabungan keluarga sederhana, dan 4673 paten ditentukan setelah pengurangan kebisingan buatan.
Permohonan paten tanah jarang di bidang fisi nuklir atau fusi nuklir didistribusikan di 56 negara/wilayah, terutama terkonsentrasi di Jepang, Cina, Amerika Serikat, Jerman dan Rusia, dll. Sejumlah besar paten diterapkan dalam bentuk PCT , dimana permohonan teknologi paten Tiongkok telah meningkat, terutama sejak tahun 2009, memasuki tahap pertumbuhan yang pesat, dan Jepang, Amerika Serikat, dan Rusia terus melakukan tata letak di bidang ini selama bertahun-tahun (Gambar 1).
Gambar 1 Tren penerapan paten teknologi terkait penerapan tanah jarang dalam fisi nuklir dan fusi nuklir di negara/wilayah
Dari analisis tema teknis terlihat bahwa penerapan tanah jarang dalam fusi nuklir dan fisi nuklir berfokus pada elemen bahan bakar, sintilator, detektor radiasi, aktinida, plasma, reaktor nuklir, bahan pelindung, penyerapan neutron dan arahan teknis lainnya.
4、 Aplikasi Khusus dan Penelitian Paten Utama Unsur Tanah Jarang dalam Bahan Nuklir
Diantaranya, reaksi fusi nuklir dan fisi nuklir pada bahan nuklir sangat ketat, dan persyaratan bahannya sangat ketat. Saat ini, reaktor tenaga sebagian besar adalah reaktor fisi nuklir, dan reaktor fusi mungkin akan dipopulerkan dalam skala besar setelah 50 tahun. Penerapantanah jarangunsur-unsur bahan struktur reaktor; Dalam bidang kimia nuklir tertentu, unsur tanah jarang terutama digunakan pada batang kendali; Selain itu,skandiumjuga telah digunakan dalam radiokimia dan industri nuklir.
（1） Sebagai racun yang mudah terbakar atau batang kendali untuk mengatur tingkat neutron dan keadaan kritis reaktor nuklir
Dalam reaktor daya, reaktivitas sisa awal inti baru umumnya relatif tinggi. Terutama pada tahap awal siklus pengisian bahan bakar pertama, ketika semua bahan bakar nuklir di inti masih baru, reaktivitas yang tersisa berada pada tingkat tertinggi. Pada titik ini, hanya mengandalkan peningkatan batang kendali untuk mengimbangi reaktivitas sisa akan menghasilkan lebih banyak batang kendali. Setiap batang kendali (atau kumpulan batang) berhubungan dengan pengenalan mekanisme penggerak yang kompleks. Di satu sisi, hal ini meningkatkan biaya, dan di sisi lain, membuka lubang pada kepala bejana tekan dapat menyebabkan penurunan kekuatan struktur. Tidak hanya tidak ekonomis, tetapi juga tidak diperbolehkan adanya sejumlah porositas dan kekuatan struktural pada kepala bejana tekan. Namun, tanpa meningkatkan batang kendali, perlu untuk meningkatkan konsentrasi racun kompensasi kimia (seperti asam borat) untuk mengkompensasi reaktivitas yang tersisa. Dalam hal ini, konsentrasi boron mudah melebihi ambang batas, dan koefisien suhu moderator akan menjadi positif.
Untuk menghindari masalah yang disebutkan di atas, kombinasi racun yang mudah terbakar, batang kendali, dan kendali kompensasi kimia umumnya dapat digunakan untuk pengendalian.
（2） Sebagai dopan untuk meningkatkan kinerja material struktur reaktor
Reaktor memerlukan komponen struktural dan elemen bahan bakar untuk memiliki tingkat kekuatan tertentu, ketahanan terhadap korosi, dan stabilitas termal yang tinggi, sekaligus mencegah produk fisi memasuki cairan pendingin.
1) .Baja tanah jarang
Reaktor nuklir memiliki kondisi fisik dan kimia yang ekstrim, dan setiap komponen reaktor juga memiliki persyaratan yang tinggi terhadap baja khusus yang digunakan. Unsur tanah jarang memiliki efek modifikasi khusus pada baja, terutama termasuk pemurnian, metamorfisme, paduan mikro, dan peningkatan ketahanan korosi. Baja yang mengandung tanah jarang juga banyak digunakan dalam reaktor nuklir.
① Efek pemurnian: Penelitian yang ada menunjukkan bahwa tanah jarang memiliki efek pemurnian yang baik pada baja cair pada suhu tinggi. Hal ini karena tanah jarang dapat bereaksi dengan unsur-unsur berbahaya seperti oksigen dan belerang dalam baja cair untuk menghasilkan senyawa bersuhu tinggi. Senyawa bersuhu tinggi dapat diendapkan dan dibuang dalam bentuk inklusi sebelum baja cair mengembun, sehingga mengurangi kandungan pengotor dalam baja cair.
② Metamorfisme: sebaliknya, oksida, sulfida atau oksisulfida yang dihasilkan oleh reaksi tanah jarang dalam baja cair dengan unsur-unsur berbahaya seperti oksigen dan belerang sebagian dapat tertahan dalam baja cair dan menjadi inklusi baja dengan titik leleh tinggi . Inklusi ini dapat digunakan sebagai pusat nukleasi heterogen selama pemadatan baja cair, sehingga memperbaiki bentuk dan struktur baja.
③ Paduan mikro: jika penambahan tanah jarang semakin ditingkatkan, sisa tanah jarang akan dilarutkan dalam baja setelah pemurnian dan metamorfisme di atas selesai. Karena jari-jari atom tanah jarang lebih besar daripada jari-jari atom besi, tanah jarang mempunyai aktivitas permukaan yang lebih tinggi. Selama proses pemadatan baja cair, unsur tanah jarang diperkaya pada batas butir, yang dapat mengurangi segregasi unsur pengotor pada batas butir dengan lebih baik, sehingga memperkuat larutan padat dan memainkan peran paduan mikro. Di sisi lain, karena karakteristik penyimpanan hidrogen dari tanah jarang, mereka dapat menyerap hidrogen dalam baja, sehingga secara efektif meningkatkan fenomena penggetasan hidrogen pada baja.
④ Meningkatkan ketahanan korosi: Penambahan unsur tanah jarang juga dapat meningkatkan ketahanan korosi pada baja. Hal ini karena logam tanah jarang mempunyai potensi korosi diri yang lebih tinggi dibandingkan baja tahan karat. Oleh karena itu, penambahan tanah jarang dapat meningkatkan potensi korosi diri pada baja tahan karat, sehingga meningkatkan stabilitas baja dalam media korosif.
2). Studi Paten Utama
Paten utama: paten penemuan dispersi oksida yang memperkuat baja aktivasi rendah dan metode preparasinya oleh Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Abstrak Paten: Disediakan baja aktivasi rendah yang diperkuat dispersi oksida yang cocok untuk reaktor fusi dan metode pembuatannya, ditandai dengan persentase elemen paduan dalam massa total baja aktivasi rendah adalah: matriksnya adalah 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%, dan 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Proses pembuatan: peleburan paduan induk Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomisasi bubuk, penggilingan bola berenergi tinggi dari paduan induk dannanopartikel Y2O3bubuk campuran, ekstraksi pembungkus bubuk, cetakan solidifikasi, pengerolan panas, dan perlakuan panas.
Metode penambahan tanah jarang: Tambahkan skala nanoY2O3partikel ke bubuk atomisasi paduan induk untuk penggilingan bola berenergi tinggi, dengan media penggilingan bola adalah bola baja keras campuran Φ 6 dan Φ 10, dengan atmosfer penggilingan bola gas argon 99,99%, rasio massa bahan bola (8- 10): 1, waktu penggilingan bola 40-70 jam, dan kecepatan putaran 350-500 putaran/menit.
3）.Digunakan untuk membuat bahan proteksi radiasi neutron
① Prinsip proteksi radiasi neutron
Neutron adalah komponen inti atom, dengan massa statis 1,675 × 10-27kg, yaitu 1838 kali massa elektronik. Jari-jarinya kira-kira 0,8 × 10-15m, ukurannya mirip dengan proton, mirip dengan Sinar γ sama-sama tidak bermuatan. Ketika neutron berinteraksi dengan materi, mereka terutama berinteraksi dengan gaya nuklir di dalam inti, dan tidak berinteraksi dengan elektron di kulit terluar.
Dengan pesatnya perkembangan energi nuklir dan teknologi reaktor nuklir, semakin banyak perhatian diberikan pada keselamatan radiasi nuklir dan proteksi radiasi nuklir. Untuk memperkuat proteksi radiasi bagi operator yang telah lama terlibat dalam pemeliharaan peralatan radiasi dan penyelamatan kecelakaan, pengembangan komposit pelindung ringan untuk pakaian pelindung merupakan hal yang sangat penting secara ilmiah dan bernilai ekonomi. Radiasi neutron merupakan bagian terpenting dari radiasi reaktor nuklir. Secara umum, sebagian besar neutron yang bersentuhan langsung dengan manusia telah diperlambat menjadi neutron berenergi rendah setelah adanya efek pelindung neutron dari bahan struktural di dalam reaktor nuklir. Neutron berenergi rendah akan bertabrakan dengan inti dengan nomor atom lebih rendah secara elastis dan terus dimoderasi. Neutron termal yang dimoderasi akan diserap oleh unsur-unsur dengan penampang serapan neutron yang lebih besar, dan akhirnya pelindung neutron akan tercapai.
② Studi Paten Utama
Sifat hibrida berpori dan organik-anorganikunsur tanah jaranggadoliniumbahan kerangka organik logam berbasis meningkatkan kompatibilitasnya dengan polietilen, mendorong bahan komposit yang disintesis memiliki kandungan gadolinium dan dispersi gadolinium yang lebih tinggi. Kandungan dan dispersi gadolinium yang tinggi akan secara langsung mempengaruhi kinerja pelindung neutron pada material komposit.
Paten utama: Institut Ilmu Material Hefei, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, paten penemuan bahan pelindung komposit kerangka organik berbasis gadolinium dan metode persiapannya
Abstrak Paten: Bahan pelindung komposit rangka organik logam berbahan dasar Gadolinium merupakan bahan komposit yang dibentuk dengan cara pencampurangadoliniumbahan kerangka logam organik berbahan dasar polietilen dengan perbandingan berat 2:1:10 dan dibentuk melalui penguapan pelarut atau pengepresan panas. Bahan pelindung komposit kerangka organik logam berbasis Gadolinium memiliki stabilitas termal yang tinggi dan kemampuan pelindung neutron termal.
Proses manufaktur: memilih berbedalogam gadoliniumgaram dan ligan organik untuk menyiapkan dan mensintesis berbagai jenis bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium, mencucinya dengan molekul kecil metanol, etanol, atau air dengan sentrifugasi, dan mengaktifkannya pada suhu tinggi dalam kondisi vakum untuk menghilangkan sepenuhnya sisa bahan mentah yang tidak bereaksi. di pori-pori bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium; Bahan kerangka organologam berbahan gadolinium yang dibuat pada langkah diaduk dengan lotion polietilen dengan kecepatan tinggi, atau secara ultrasonik, atau bahan kerangka organologam berbahan gadolinium yang dibuat pada langkah dilebur dan dicampur dengan polietilen dengan berat molekul sangat tinggi pada suhu tinggi hingga tercampur sempurna; Tempatkan bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium/campuran polietilen yang tercampur rata ke dalam cetakan, dan dapatkan bahan pelindung komposit kerangka organik logam berbasis gadolinium yang terbentuk dengan mengeringkan untuk mendorong penguapan pelarut atau pengepresan panas; Bahan pelindung komposit kerangka organik logam berbasis gadolinium telah secara signifikan meningkatkan ketahanan panas, sifat mekanik, dan kemampuan pelindung neutron termal yang unggul dibandingkan dengan bahan polietilen murni.
Mode penambahan tanah jarang: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 atau Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimer koordinasi kristal berpori yang mengandung gadolinium, yang diperoleh melalui polimerisasi koordinasiGd (NO3) 3 • 6H2O atau GdCl3 • 6H2Odan ligan karboksilat organik; Ukuran bahan kerangka logam organik berbahan gadolinium adalah 50nm-2 μm； Bahan kerangka organik logam berbahan gadolinium memiliki morfologi yang berbeda-beda, antara lain berbentuk butiran, berbentuk batang, atau berbentuk jarum.
（4） PenerapanSkandiumdi bidang Radiokimia dan industri nuklir
Logam skandium memiliki stabilitas termal yang baik dan kinerja penyerapan fluor yang kuat, menjadikannya bahan yang sangat diperlukan dalam industri energi atom.
Paten utama: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, paten penemuan untuk paduan aluminium seng magnesium skandium dan metode pembuatannya
Abstrak paten: Seng aluminiumpaduan magnesium skandiumdan metode persiapannya. Komposisi kimia dan persentase berat paduan aluminium seng magnesium skandium adalah: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, pengotor Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, pengotor lainnya tunggal ≤ 0,05%, total pengotor lainnya ≤ 0,15%, dan sisanya adalah Al. Struktur mikro bahan paduan aluminium seng magnesium skandium ini seragam dan kinerjanya stabil, dengan kekuatan tarik ultimat lebih dari 400MPa, kekuatan luluh lebih dari 350MPa, dan kekuatan tarik lebih dari 370MPa untuk sambungan las. Produk material dapat digunakan sebagai elemen struktural di bidang kedirgantaraan, industri nuklir, transportasi, alat olah raga, senjata dan bidang lainnya.
Proses pembuatan: Langkah 1, bahan sesuai dengan komposisi paduan di atas; Langkah 2: Lelehkan dalam tungku peleburan pada suhu 700 ℃~780 ℃; Langkah 3: Saring cairan logam yang meleleh seluruhnya, dan pertahankan suhu logam dalam kisaran 700 ℃~750 ℃ selama pemurnian; Langkah 4: Setelah pemurnian, ia harus didiamkan sepenuhnya; Langkah 5: Setelah berdiri penuh, mulailah pengecoran, pertahankan suhu tungku dalam kisaran 690 ℃~730 ℃, dan kecepatan pengecoran 15-200mm/menit; Langkah 6: Lakukan perlakuan homogenisasi anil pada ingot paduan di tungku pemanas, dengan suhu homogenisasi 400 ℃~470 ℃; Langkah 7: Kupas ingot yang telah dihomogenisasi dan lakukan ekstrusi panas untuk menghasilkan profil dengan ketebalan dinding lebih dari 2,0 mm. Selama proses ekstrusi, billet harus dijaga pada suhu 350 ℃ hingga 410 ℃; Langkah 8: Peras profil untuk perawatan pendinginan larutan, dengan suhu larutan 460-480 ℃; Langkah 9: Setelah 72 jam pendinginan larutan padat, paksakan penuaan secara manual. Sistem penuaan paksa manual adalah: 90~110 ℃/24 jam+170~180 ℃/5 jam, atau 90~110 ℃/24 jam+145~155 ℃/10 jam.
5[UNK] Ringkasan Penelitian
Secara keseluruhan, tanah jarang banyak digunakan dalam fusi nuklir dan fisi nuklir, dan memiliki banyak tata letak paten dalam bidang teknis seperti eksitasi sinar-X, pembentukan plasma, reaktor air ringan, transuranium, uranil, dan bubuk oksida. Sedangkan untuk bahan reaktor, tanah jarang dapat digunakan sebagai bahan struktur reaktor dan bahan isolasi keramik terkait, bahan kontrol dan bahan proteksi radiasi neutron.
Waktu posting: 26 Mei-2023