1 、 Definisi 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 bahan bakar non nuklir.
Yang biasa disebut bahan nuklir terutama merujuk pada bahan yang digunakan di berbagai bagian reaktor, juga dikenal sebagai bahan reaktor. Bahan reaktor termasuk bahan bakar nuklir yang mengalami fisi nuklir di bawah pengeboman neutron, bahan kelongsong untuk komponen bahan bakar nuklir, pendingin, moderator neutron (moderator), bahan batang kontrol yang sangat menyerap neutron, dan bahan reflektif yang mencegah kebocoran neutron di luar reaktor.
2 、 hubungan terkait antara sumber daya tanah jarang dan sumber daya nuklir
Monasit, juga disebut fosfoserit dan fosfoserit, adalah mineral aksesori umum dalam batuan beku asam menengah dan batuan metamorf. Monasit adalah salah satu mineral utama bijih logam tanah jarang, dan juga ada di beberapa batuan sedimen. Merah kecoklatan, kuning, kadang-kadang kuning kecoklatan, dengan kilau berminyak, belahan dada lengkap, kekerasan mohs 5-5.5, dan gravitasi spesifik 4,9-5,5.
Mineral bijih utama dari beberapa endapan tanah jarang tipe placer di Cina adalah monasit, terutama terletak di Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, dan He County, Guangxi. Namun, ekstraksi sumber daya tanah jarang tipe placer seringkali tidak memiliki signifikansi ekonomi. Batu -batu soliter sering mengandung elemen thorium refleksif dan juga merupakan sumber utama plutonium komersial.
3 、 Gambaran Umum Aplikasi Bumi Langka dalam Fusi Nuklir dan Fisi Nuklir Berdasarkan Analisis Panoramik Paten
Setelah kata kunci dari elemen pencarian tanah jarang diperluas sepenuhnya, mereka dikombinasikan dengan kunci ekspansi dan jumlah klasifikasi fisi nuklir dan fusi nuklir, dan dicari dalam database yang tidak ada. Tanggal pencarian adalah 24 Agustus 2020. 4837 paten diperoleh setelah merger keluarga yang sederhana, dan 4673 paten ditentukan setelah pengurangan kebisingan buatan.
Aplikasi 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 yang diterapkan dalam bentuk PCT, di mana letaknya telah meningkat, negara -negara bagian, dan letaknya telah meningkat, terutama negara -negara yang telah meningkat, dan letaknya, dan letaknya di bidang pertumbuhan, dan letaknya telah meningkat, dan letaknya, dan meletakkannya, dan meletakkannya, dan meletakkannya, dan meletakkannya di POTING, PCT, dan LAING TETRIA, PERUSAHAAN TINGKAT DAN TETRA. 1).
Gambar 1 Tren Aplikasi Paten Teknologi Terkait dengan Aplikasi Bumi Langka dalam Fisi Nuklir Nuklir dan Fusi Nuklir di Negara/Wilayah
Hal ini dapat dilihat dari analisis tema teknis bahwa penerapan tanah jarang dalam fusi nuklir dan fisi nuklir berfokus pada elemen bahan bakar, scintillator, detektor radiasi, aktinida, plasma, reaktor nuklir, bahan pelindung, penyerapan neutron dan arah teknis lainnya.
4 、 Aplikasi spesifik dan penelitian paten utama dari unsur -unsur tanah jarang dalam bahan nuklir
Di antara mereka, reaksi fusi nuklir dan fisi nuklir dalam bahan nuklir sangat intens, dan persyaratan untuk bahan sangat ketat. Saat ini, reaktor daya terutama reaktor fisi nuklir, dan reaktor fusi dapat dipopulerkan dalam skala besar setelah 50 tahun. Penerapantanah jarangelemen dalam bahan struktural reaktor; Dalam bidang kimia nuklir spesifik, elemen tanah jarang terutama digunakan dalam batang kontrol; Selain itu,Skandiumjuga telah digunakan dalam Radiekimia dan Industri Nuklir.
（1） sebagai racun yang mudah terbakar atau batang kontrol untuk menyesuaikan tingkat neutron dan keadaan kritis reaktor nuklir
Dalam reaktor daya, reaktivitas residu awal inti baru umumnya relatif tinggi. Terutama pada tahap awal siklus pengisian bahan bakar pertama, ketika semua bahan bakar nuklir di inti adalah baru, reaktivitas yang tersisa adalah yang tertinggi. Pada titik ini, hanya mengandalkan peningkatan batang kontrol untuk mengimbangi reaktivitas residual akan memperkenalkan lebih banyak batang kontrol. Setiap batang kontrol (atau bundel batang) sesuai dengan pengenalan mekanisme mengemudi yang kompleks. Di satu sisi, ini meningkatkan biaya, dan di sisi lain, lubang pembukaan di kepala pembuluh tekanan dapat menyebabkan penurunan kekuatan struktural. Tidak hanya tidak ekonomis, tetapi juga tidak diizinkan memiliki sejumlah porositas dan kekuatan struktural pada kepala pembuluh tekanan. Namun, tanpa meningkatkan batang kontrol, perlu untuk meningkatkan konsentrasi racun kompensasi kimia (seperti asam borat) untuk mengkompensasi reaktivitas yang tersisa. Dalam hal ini, mudah bagi konsentrasi boron untuk melebihi ambang batas, dan koefisien suhu moderator akan menjadi positif.
Untuk menghindari masalah yang disebutkan di atas, kombinasi racun yang mudah terbakar, batang kontrol, dan kontrol kompensasi kimia umumnya dapat digunakan untuk kontrol.
（2） sebagai dopan untuk meningkatkan kinerja bahan struktural reaktor
Reaktor membutuhkan komponen struktural dan elemen bahan bakar untuk memiliki tingkat kekuatan tertentu, ketahanan korosi, dan stabilitas termal yang tinggi, sementara juga mencegah produk fisi memasuki pendingin.
1). Baja Bumi
Reaktor nuklir memiliki kondisi fisik dan kimia yang ekstrem, dan setiap komponen reaktor juga memiliki persyaratan tinggi untuk baja khusus yang digunakan. Elemen tanah jarang memiliki efek modifikasi khusus pada baja, terutama termasuk pemurnian, metamorfisme, microalloying, dan peningkatan resistensi korosi. Baja langka yang mengandung baja juga banyak digunakan dalam reaktor nuklir.
Efek Efek Pemurnian: Penelitian yang ada telah menunjukkan bahwa tanah jarang memiliki efek pemurnian yang baik pada baja cair pada suhu tinggi. Ini karena tanah jarang dapat bereaksi dengan unsur-unsur berbahaya seperti oksigen dan sulfur dalam baja cair untuk menghasilkan senyawa suhu tinggi. Senyawa suhu tinggi dapat diendapkan dan dikeluarkan dalam bentuk inklusi sebelum baja cair mengembun, sehingga mengurangi kandungan pengotor dalam baja cair.
② Metamorfisme: Di sisi lain, oksida, sulfida atau oksisulfida yang dihasilkan oleh reaksi tanah jarang dalam baja cair dengan unsur -unsur berbahaya seperti oksigen dan sulfur dapat dipertahankan sebagian dalam baja cair dan menjadi inklusi baja dengan titik leleh tinggi. Inklusi ini dapat digunakan sebagai pusat nukleasi heterogen selama pemadatan baja cair, sehingga meningkatkan bentuk dan struktur baja.
③ Microalloying: Jika penambahan tanah jarang meningkat lebih lanjut, tanah jarang yang tersisa akan dilarutkan dalam baja setelah pemurnian dan metamorfisme di atas selesai. Karena jari -jari atom tanah jarang lebih besar dari atom besi, tanah jarang memiliki aktivitas permukaan yang lebih tinggi. Selama proses pemadatan baja cair, elemen tanah jarang diperkaya pada batas butir, yang dapat lebih mengurangi pemisahan elemen pengotor pada batas butir, sehingga memperkuat solusi yang solid dan memainkan peran mikroalloying. Di sisi lain, karena karakteristik penyimpanan hidrogen dari tanah jarang, mereka dapat menyerap hidrogen dalam baja, sehingga secara efektif meningkatkan fenomena baja imbalan hidrogen.
④ Meningkatkan resistensi korosi: Penambahan elemen tanah jarang juga dapat meningkatkan resistensi korosi baja. Ini karena tanah jarang memiliki potensi korosi diri yang lebih tinggi daripada stainless steel. Oleh karena itu, penambahan tanah jarang dapat meningkatkan potensi korosi sendiri dari stainless steel, sehingga meningkatkan stabilitas baja dalam media korosif.
2). Studi Paten Utama
Paten Utama: Paten Penemuan Dispersi Oksida Memperkuat Baja Aktivasi Rendah dan Metode Persiapannya oleh Institute of Metals, Academy of Sciences China
Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the 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%, dan 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Proses Pabrikan: Fe-Cr-WV-Ta-Mn Moth Smeloy Smelting, Bubuk Atomisasi, Penggilingan Bola Berenergi Tinggi dari Paduan Ibu danNanopartikel Y2O3Bubuk campuran, ekstraksi amplop bubuk, cetakan solidifikasi, rolling panas, dan perlakuan panas.
Metode penambahan tanah jarang: tambahkan skala nanoY2O3Partikel-partikel ke bubuk teratomisasi paduan induk untuk penggilingan bola berenergi tinggi, dengan media penggilingan bola menjadi φ 6 dan φ 10 bola baja keras campuran, dengan atmosfer bola giling 99,99% gas argon, rasio massa bahan bola (8-10): 1, waktu penggilingan bola 40-70 jam, dan kecepatan rotasi 350-5.
3）. Digunakan untuk membuat bahan perlindungan radiasi neutron
① Prinsip perlindungan radiasi neutron
Neutron adalah komponen inti atom, dengan massa statis 1,675 × 10-27kg, yang merupakan 1838 kali massa elektronik. Radiusnya adalah sekitar 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 nukleus, dan tidak berinteraksi dengan elektron dalam cangkang luar.
Dengan perkembangan cepat energi nuklir dan teknologi reaktor nuklir, semakin banyak perhatian telah diberikan pada keselamatan radiasi nuklir dan perlindungan radiasi nuklir. Untuk memperkuat perlindungan radiasi bagi operator yang telah terlibat dalam pemeliharaan peralatan radiasi dan penyelamatan kecelakaan untuk waktu yang lama, itu sangat penting ilmiah dan nilai ekonomi untuk mengembangkan komposit pelindung ringan untuk pakaian pelindung. Radiasi neutron adalah bagian terpenting dari radiasi reaktor nuklir. Secara umum, sebagian besar neutron dalam kontak langsung dengan manusia telah diperlambat menjadi neutron berenergi rendah setelah efek pelindung neutron dari bahan struktural di dalam reaktor nuklir. Neutron energi rendah akan bertabrakan dengan nuklei dengan jumlah atom yang lebih rendah secara elastis dan terus dimoderasi. Neutron termal yang dimoderasi akan diserap oleh unsur -unsur dengan penampang penyerapan neutron yang lebih besar, dan akhirnya pelindung neutron akan tercapai.
② Studi Paten Kunci
Sifat hibrida berpori dan organikElemen Bumi JarangGadoliniumBahan kerangka organik logam berbasis meningkatkan kompatibilitasnya dengan polietilen, mempromosikan bahan komposit yang disintesis untuk memiliki kandungan gadolinium yang lebih tinggi dan dispersi gadolinium. Kandungan dan dispersi gadolinium yang tinggi akan secara langsung mempengaruhi kinerja perisai neutron dari bahan komposit.
Paten Kunci: Institut Ilmu Material Hefei, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Paten Penemuan Bahan Perisai Komposit Organik Berbasis Gadolinium dan Metode Persiapannya
Paten Abstrak: Bahan pelindung komposit logam gadolinium kerangka komposit adalah bahan komposit yang dibentuk dengan pencampuranGadoliniumBahan kerangka organik logam berbasis dengan polietilen dalam rasio berat 2: 1: 10 dan membentuknya melalui penguapan pelarut atau penekanan panas. Bahan pelindung komposit kerangka organik logam gadolinium memiliki stabilitas termal yang tinggi dan kemampuan pelindung neutron termal.
Proses Pabrikan: Memilih BerbedaLogam GadoliniumGaram dan ligan organik untuk menyiapkan dan mensintesis berbagai jenis bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium, mencuci dengan molekul kecil metanol, etanol, atau air dengan sentrifugasi, dan mengaktifkannya pada suhu tinggi dalam kondisi vakum untuk menghilangkan bahan baku yang tidak teraktifan secara teraktifasi; Bahan kerangka organometalik berbasis gadolinium yang disiapkan pada langkah diaduk dengan lotion polietilen pada kecepatan tinggi, atau secara ultrasonik, atau bahan kerangka organometalik berbasis gadolinium yang disiapkan pada langkah dicampur dengan polietilen berat molekul sangat tinggi pada suhu tinggi sampai dicampur sepenuhnya; Tempatkan material kerangka organik logam berbasis gadolinium berbasis gadolinium/campuran polietilen dalam cetakan, dan dapatkan bahan pelindung logam gadolinium gadolinium yang terbentuk dengan pengeringan untuk mempromosikan penguapan pelarut atau penekanan panas; Bahan pelindung kerangka organik logam gadolinium yang disiapkan telah secara signifikan meningkatkan ketahanan panas, sifat mekanik, dan kemampuan pelindung neutron termal superior dibandingkan dengan bahan polietilen murni.
Mode Penambahan Bumi 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 dengan polimerisasi koordinasiGD (NO3) 3 • 6H2O atau GDCL3 • 6H2Odan ligan karboksilat organik; Ukuran bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium adalah 50nm-2 μ m ； bahan kerangka logam logam berbasis gadolinium memiliki morfologi yang berbeda, termasuk bentuk granular, berbentuk batang, atau bentuk berbentuk jarum.
（4） AplikasiSkandiumdi Radiekimia dan Industri Nuklir
Skandium Metal memiliki stabilitas termal yang baik dan kinerja penyerapan fluor yang kuat, menjadikannya bahan yang sangat diperlukan dalam industri energi atom.
Paten Kunci: Pengembangan Aerospace China Institut Bahan Aeronautika Beijing, Paten Penemuan untuk Aluminium Zinc Magnesium Scandium Alloy dan Metode Persiapannya
Paten Abstrak: Seng AluminiumPaduan magnesium skandiumdan metode persiapannya. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0,15%, dan jumlah yang tersisa adalah Al. Struktur mikro bahan paduan aluminium zinc magnesium skandium ini seragam dan kinerjanya stabil, dengan kekuatan tarik utama lebih dari 400MPA, kekuatan luluh lebih dari 350MPa, dan kekuatan tarik lebih dari 370MPa untuk sambungan yang dilas. Produk material dapat digunakan sebagai elemen struktural dalam kedirgantaraan, industri nuklir, transportasi, barang -barang olahraga, senjata dan bidang lainnya.
Proses pembuatan: Langkah 1, Bahan sesuai dengan komposisi paduan di atas; Langkah 2: Leleh di tungku peleburan pada suhu 700 ℃ ~ 780 ℃; Langkah 3: Perbaiki cairan logam yang benar -benar meleleh, dan pertahankan suhu logam dalam kisaran 700 ℃ ~ 750 ℃ selama pemurnian; Langkah 4: Setelah pemurnian, itu harus sepenuhnya diizinkan untuk diam; Langkah 5: Setelah sepenuhnya berdiri, mulailah casting, pertahankan suhu tungku dalam kisaran 690 ℃ ~ 730 ℃, dan kecepatan casting 15-200mm/menit; Langkah 6: Lakukan perawatan anil homogenisasi pada ingot paduan di tungku pemanas, dengan suhu homogenisasi 400 ℃ ~ 470 ℃; Langkah 7: Kupas ingot yang dihomogenisasi dan lakukan ekstrusi panas untuk menghasilkan profil dengan ketebalan dinding lebih dari 2.0mm. Selama proses ekstrusi, billet harus dipertahankan 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, paksa penuaan secara manual. Sistem penuaan gaya manual adalah: 90 ~ 110 ℃/24 jam+170 ~ 180 ℃/5 jam, atau 90 ~ 110 ℃/24 jam+145 ~ 155 ℃/10 jam.
5 、 Ringkasan Penelitian
Secara keseluruhan, tanah jarang banyak digunakan dalam fusi nuklir dan fisi nuklir, dan memiliki banyak tata letak paten dalam arah teknis seperti eksitasi sinar-X, pembentukan plasma, reaktor air ringan, transuranium, uranil dan bubuk oksida. Adapun bahan reaktor, tanah jarang dapat digunakan sebagai bahan struktural reaktor dan bahan isolasi keramik terkait, bahan kontrol dan bahan perlindungan radiasi neutron.
Waktu posting: Mei-26-2023