1、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 bakar non-nuklir.
Bahan-bahan nuklir yang umum disebut terutama merujuk pada bahan-bahan yang digunakan di berbagai bagian reaktor, yang juga dikenal sebagai bahan reaktor. Bahan-bahan reaktor meliputi bahan bakar nuklir yang mengalami fisi nuklir di bawah pemboman neutron, bahan pelapis untuk komponen bahan bakar nuklir, pendingin, moderator neutron (moderator), bahan batang kendali yang menyerap neutron dengan kuat, dan bahan reflektif yang mencegah kebocoran neutron di luar reaktor.
2、 Hubungan yang saling terkait antara sumber daya tanah jarang dan sumber daya nuklir
Monasit, yang juga disebut fosfoserit dan fosfoserit, adalah mineral aksesori umum dalam batuan beku asam intermediet dan batuan metamorf. Monasit adalah salah satu mineral utama bijih logam tanah jarang, dan juga terdapat dalam beberapa batuan sedimen. Berwarna merah kecokelatan, kuning, terkadang kuning kecokelatan, dengan kilau berminyak, belahan lengkap, kekerasan Mohs 5-5,5, dan berat jenis 4,9-5,5.
Mineral bijih utama dari beberapa endapan tanah jarang jenis placer di Tiongkok adalah monasit, yang sebagian besar terletak di Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, dan Kabupaten He, Guangxi. Akan tetapi, ekstraksi sumber daya tanah jarang jenis placer sering kali tidak memiliki signifikansi ekonomi. Batu-batu soliter sering kali mengandung unsur torium refleksif dan juga merupakan sumber utama plutonium komersial.
3、 Tinjauan umum aplikasi tanah jarang dalam fusi nuklir dan fisi nuklir berdasarkan analisis panorama paten
Setelah kata kunci pencarian unsur tanah jarang diperluas sepenuhnya, kata kunci tersebut digabungkan dengan kunci perluasan dan nomor klasifikasi fisi nuklir dan fusi nuklir, dan dicari dalam basis data Incopt. Tanggal pencarian adalah 24 Agustus 2020. Sebanyak 4837 paten diperoleh setelah penggabungan keluarga 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, Tiongkok, Amerika Serikat, Jerman, dan Rusia, dll. Sejumlah besar paten diajukan dalam bentuk PCT, di antaranya aplikasi teknologi paten Tiongkok telah meningkat, terutama sejak 2009, memasuki tahap pertumbuhan yang cepat, dan Jepang, Amerika Serikat, dan Rusia telah terus menata dalam bidang ini selama bertahun-tahun (Gambar 1).
Gambar 1 Tren penerapan paten teknologi terkait aplikasi logam tanah jarang dalam fisi nuklir dan fusi nuklir di negara/wilayah
Dari analisis tema teknis dapat diketahui 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 arah teknis lainnya.
4、 Aplikasi Spesifik dan Penelitian Paten Utama Elemen Tanah Jarang dalam Bahan Nuklir
Di antara mereka, reaksi fusi nuklir dan fisi nuklir dalam bahan nuklir sangat intens, dan persyaratan untuk bahannya ketat. Saat ini, reaktor daya sebagian besar adalah reaktor fisi nuklir, dan reaktor fusi dapat dipopulerkan dalam skala besar setelah 50 tahun. Aplikasitanah jarangunsur-unsur dalam bahan struktur reaktor; Dalam bidang kimia nuklir khusus, unsur tanah jarang terutama digunakan dalam 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
Pada reaktor daya, reaktivitas residual awal dari inti baru umumnya relatif tinggi. Terutama pada tahap awal siklus pengisian ulang pertama, ketika semua bahan bakar nuklir di inti baru, reaktivitas yang tersisa adalah yang tertinggi. Pada titik ini, hanya mengandalkan peningkatan batang kendali untuk mengimbangi reaktivitas residual akan memperkenalkan lebih banyak batang kendali. Setiap batang kendali (atau bundel batang) sesuai dengan pengenalan mekanisme penggerak yang kompleks. Di satu sisi, ini meningkatkan biaya, dan di sisi lain, membuka lubang di kepala bejana tekan dapat menyebabkan penurunan kekuatan struktural. Tidak hanya tidak ekonomis, tetapi juga tidak diperbolehkan memiliki 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 mengimbangi reaktivitas yang tersisa. Dalam hal ini, konsentrasi boron mudah melampaui ambang batas, dan koefisien suhu moderator akan menjadi positif.
Untuk menghindari masalah-masalah tersebut di atas, kombinasi racun yang mudah terbakar, batang kendali, dan pengendalian kompensasi kimia secara umum dapat digunakan untuk pengendalian.
（2） Sebagai dopan untuk meningkatkan kinerja bahan struktur reaktor
Reaktor memerlukan komponen struktural dan elemen bahan bakar yang memiliki tingkat kekuatan tertentu, ketahanan terhadap korosi, dan stabilitas termal yang tinggi, sekaligus mencegah produk fisi memasuki pendingin.
1) Baja tanah jarang
Reaktor nuklir memiliki kondisi fisik dan kimia yang ekstrem, dan setiap komponen reaktor juga memiliki persyaratan tinggi untuk baja khusus yang digunakan. Unsur tanah jarang memiliki efek modifikasi khusus pada baja, terutama meliputi pemurnian, metamorfisme, mikroalloying, dan peningkatan ketahanan korosi. Baja yang mengandung tanah jarang juga banyak digunakan dalam reaktor nuklir.
① Efek pemurnian: Penelitian yang ada telah 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 sulfur dalam baja cair untuk menghasilkan senyawa suhu tinggi. Senyawa suhu tinggi dapat diendapkan dan dibuang dalam bentuk inklusi sebelum baja cair mengembun, sehingga mengurangi kandungan pengotor dalam baja cair.
② Metamorfisme: di sisi lain, oksida, sulfida, atau oksida sulfida yang dihasilkan oleh reaksi tanah jarang dalam baja cair dengan unsur-unsur berbahaya seperti oksigen dan sulfur dapat tertahan 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 Paduan mikro: jika penambahan tanah jarang lebih ditingkatkan, tanah jarang yang tersisa akan larut dalam baja setelah pemurnian dan metamorfisme di atas selesai. Karena jari-jari atom tanah jarang lebih besar daripada jari-jari atom besi, tanah jarang memiliki aktivitas permukaan yang lebih tinggi. Selama proses pemadatan baja cair, unsur-unsur tanah jarang diperkaya pada batas butir, yang dapat mengurangi pemisahan unsur-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 kerapuhan hidrogen pada baja.
④ Meningkatkan ketahanan terhadap korosi: Penambahan unsur tanah jarang juga dapat meningkatkan ketahanan terhadap korosi baja. Hal ini dikarenakan tanah jarang memiliki potensi korosi diri yang lebih tinggi daripada baja tahan karat. Oleh karena itu, penambahan tanah jarang dapat meningkatkan potensi korosi diri baja tahan karat, sehingga meningkatkan stabilitas baja di media korosif.
2) Studi Paten Utama
Paten utama: paten penemuan baja aktivasi rendah yang diperkuat dispersi oksida dan metode persiapannya oleh Institut Logam, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok
Abstrak paten: Disediakan baja aktivasi rendah yang diperkuat dengan dispersi oksida yang cocok untuk reaktor fusi dan metode persiapannya, dicirikan dengan persentase elemen paduan dalam total massa 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, pencetakan pemadatan, penggulungan 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 berupa bola baja keras campuran Φ 6 dan Φ 10, dengan atmosfer penggilingan bola 99,99% gas argon, 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 perlindungan radiasi neutron
① Prinsip perlindungan radiasi neutron
Neutron merupakan komponen inti atom, dengan massa statis 1,675 × 10-27 kg, yaitu 1838 kali massa elektron. Jari-jarinya sekitar 0,8 × 10-15 m, ukurannya mirip dengan proton, mirip dengan sinar γ. Sinar-sinar ini juga 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 perlindungan radiasi nuklir. Untuk memperkuat perlindungan radiasi bagi operator yang telah terlibat dalam pemeliharaan peralatan radiasi dan penyelamatan kecelakaan untuk waktu yang lama, sangat penting secara ilmiah dan bernilai ekonomi untuk mengembangkan komposit pelindung ringan untuk pakaian pelindung. Radiasi neutron adalah bagian terpenting dari radiasi reaktor nuklir. Umumnya, sebagian besar neutron yang bersentuhan langsung dengan manusia telah diperlambat menjadi neutron berenergi rendah setelah efek pelindung neutron dari bahan struktural di dalam reaktor nuklir. Neutron berenergi rendah akan bertabrakan dengan inti dengan nomor atom yang lebih rendah secara elastis dan terus dimoderasi. Neutron termal yang dimoderasi akan diserap oleh elemen dengan penampang serapan neutron yang lebih besar, dan akhirnya perisai neutron akan tercapai.
② Studi Paten Utama
Sifat hibrida organik-anorganik dan berpori dariunsur tanah jaranggadoliniumBahan rangka organik berbasis logam meningkatkan kompatibilitasnya dengan polietilena, sehingga bahan komposit yang disintesis memiliki kandungan gadolinium dan dispersi gadolinium yang lebih tinggi. Kandungan dan dispersi gadolinium yang tinggi akan secara langsung memengaruhi kinerja pelindung neutron dari bahan komposit.
Paten utama: Institut Ilmu Material Hefei, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, paten penemuan bahan pelindung komposit rangka organik berbasis gadolinium dan metode persiapannya
Abstrak Paten: Bahan pelindung komposit rangka organik logam berbasis gadolinium adalah bahan komposit yang dibentuk dengan mencampurgadoliniumbahan rangka organik logam dengan polietilena dalam rasio berat 2:1:10 dan membentuknya melalui penguapan pelarut atau pengepresan panas. Bahan pelindung komposit rangka organik logam berbasis gadolinium memiliki stabilitas termal dan kemampuan pelindung neutron termal yang tinggi.
Proses manufaktur: memilih yang berbedalogam gadoliniumgaram dan ligan organik untuk menyiapkan dan mensintesis berbagai jenis bahan rangka organik logam berbasis gadolinium, mencucinya dengan molekul kecil metanol, etanol, atau air dengan sentrifugasi, dan mengaktifkannya pada suhu tinggi dalam kondisi vakum untuk sepenuhnya menghilangkan sisa bahan mentah yang tidak bereaksi di pori-pori bahan rangka organik logam berbasis gadolinium; Bahan rangka organologam berbasis gadolinium yang disiapkan pada langkah tersebut diaduk dengan losion polietilena dengan kecepatan tinggi, atau secara ultrasonik, atau bahan rangka organologam berbasis gadolinium yang disiapkan pada langkah tersebut dicampur leleh dengan polietilena dengan berat molekul sangat tinggi pada suhu tinggi hingga tercampur sepenuhnya; Tempatkan campuran bahan rangka organik logam berbasis gadolinium/polietilena yang tercampur merata ke dalam cetakan, dan dapatkan bahan pelindung komposit rangka organik logam berbasis gadolinium yang terbentuk dengan mengeringkan untuk meningkatkan penguapan pelarut atau pengepresan panas; Bahan pelindung komposit rangka organik logam berbasis gadolinium yang disiapkan memiliki ketahanan panas, sifat mekanis, dan kemampuan pelindung neutron termal yang lebih unggul secara signifikan dibandingkan dengan bahan polietilena 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 dengan polimerisasi koordinasiGd (NO3) 3 • 6H2O atau GdCl3 • 6H2Odan ligan karboksilat organik; Ukuran bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium adalah 50nm-2 μm； Bahan kerangka organik logam berbasis gadolinium memiliki morfologi yang berbeda, termasuk bentuk granular, berbentuk batang, atau berbentuk jarum.
（4） AplikasiSkandiumdalam Radiokimia dan industri nuklir
Logam skandium memiliki stabilitas termal yang baik dan kinerja penyerapan fluor yang kuat, menjadikannya material 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 persiapannya
Abstrak paten: Sebuah penelitian tentang aluminium sengpaduan magnesium skandiumdan metode preparasinya. 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%, pengotor lainnya total ≤ 0,15%, dan jumlah sisanya adalah Al. Struktur mikro bahan paduan aluminium seng magnesium skandium ini seragam dan kinerjanya stabil, dengan kekuatan tarik ultimit 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, barang olahraga, 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: Sempurnakan cairan logam yang meleleh sempurna, dan pertahankan suhu logam dalam kisaran 700℃~750℃ selama pemurnian; Langkah 4: Setelah pemurnian, logam harus didiamkan sepenuhnya; Langkah 5: Setelah didiamkan sepenuhnya, mulailah pengecoran, pertahankan suhu tungku dalam kisaran 690℃~730℃, dan kecepatan pengecoran adalah 15-200mm/menit; Langkah 6: Lakukan perlakuan anil homogenisasi pada ingot paduan dalam 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 2,0mm. Selama proses ekstrusi, billet harus dijaga pada suhu 350 ℃ hingga 410 ℃; Langkah 8: Remas profil untuk perlakuan pendinginan larutan, dengan suhu larutan 460-480 ℃; Langkah 9: Setelah 72 jam pendinginan larutan padat, lakukan penuaan paksa 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、Ringkasan Penelitian
Secara keseluruhan, tanah jarang digunakan secara luas 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. Sedangkan untuk bahan reaktor, tanah jarang dapat digunakan sebagai bahan struktur reaktor dan bahan isolasi keramik terkait, bahan kontrol, dan bahan perlindungan radiasi neutron.
Waktu posting: 26-Mei-2023