1、 Вызначэнне ядзерных матэрыялаў
У шырокім сэнсе ядзерны матэрыял - гэта агульны тэрмін для матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца выключна ў ядзернай прамысловасці і ядзерных навуковых даследаваннях, у тым ліку ядзернага паліва і матэрыялаў для ядзернай тэхнікі, гэта значыць неядзерных паліўных матэрыялаў.
Звычайна ядзерныя матэрыялы адносяцца да матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў розных частках рэактара, таксама вядомых як рэактарныя матэрыялы. Рэактарныя матэрыялы ўключаюць ядзернае паліва, якое падвяргаецца ядзернаму дзяленню пры нейтроннай бамбардзіроўцы, матэрыялы абалонкі для кампанентаў ядзернага паліва, астуджальныя вадкасці, запавольвальнікі нейтронаў (запавольвальнікі), матэрыялы стрыжняў кіравання, якія моцна паглынаюць нейтроны, і святлоадбівальныя матэрыялы, якія прадухіляюць уцечку нейтронаў за межы рэактара.
2、 Узаемасувязь паміж рэдказямельнымі і ядзернымі рэсурсамі
Манацыт, які таксама называюць фасфацэрытам і фасфацэрытам, з'яўляецца агульным дапаможным мінералам у прамежкавых кіслотных магматычных пародах і метамарфічных пародах. Манацыт з'яўляецца адным з асноўных мінералаў руд рэдказямельных металаў, а таксама існуе ў некаторых асадкавых пародах. Карычнявата-чырвоны, жоўты, часам буравата-жоўты, з тлустым бляскам, поўнай спайнасцю, цвёрдасцю па Моасу 5-5,5, удзельнай вагой 4,9-5,5.
Асноўным рудным мінералам некаторых рэдказямельных радовішчаў россыпнага тыпу ў Кітаі з'яўляецца манацыт, у асноўным размешчаны ў Тунчэн, Хубэй, Юэян, Хунань, Шанграо, Цзянсі, Мэнхай, Юньнань і акрузе Хэ, Гуансі. Аднак здабыча рэдказямельных рэсурсаў россыпнага тыпу часта не мае эканамічнага значэння. Адзіночныя камяні часта ўтрымліваюць рэфлексіўныя элементы торыя, а таксама з'яўляюцца асноўнай крыніцай камерцыйнага плутонію.
3、 Агляд прымянення рэдказямельных элементаў у ядзерным сінтэзе і ядзерным дзяленні на аснове патэнтавага панарамнага аналізу
Пасля поўнага разгортвання ключавых слоў для рэдказямельных элементаў пошуку яны аб'ядноўваюцца з ключамі пашырэння і класіфікацыйнымі нумарамі ядзернага дзялення і ядзернага сінтэзу і выконваюцца пошук у базе дадзеных Incopt. Дата пошуку - 24 жніўня 2020 г. 4837 патэнтаў былі атрыманы пасля простага сямейнага зліцця, а 4673 патэнта былі вызначаны пасля штучнага шумапрыглушэння.
Заяўкі на патэнты на рэдказямельныя рэчывы ў галіне ядзернага дзялення або ядзернага сінтэзу распаўсюджаны ў 56 краінах/рэгіёнах, галоўным чынам у Японіі, Кітаі, ЗША, Германіі і Расіі і г.д. Значная колькасць патэнтаў прымяняецца ў форме PCT , з якіх кітайскія заяўкі на патэнтавыя тэхналогіі павялічваюцца, асабліва з 2009 года, уступаючы ў стадыю хуткага росту, і Японія, Злучаныя Штаты і Расія працягваюць размяшчэнне ў гэтай галіне на працягу многіх гадоў (малюнак 1).
Малюнак 1 Тэндэнцыя прымянення патэнтаў на тэхналогіі, звязаныя з прымяненнем рэдказямельных элементаў у ядзерным дзяленні і ядзерным сінтэзе ў краінах/рэгіёнах
З аналізу тэхнічных тэм відаць, што прымяненне рэдказямельных элементаў у ядзерным сінтэзе і ядзерным дзяленні факусуюць на паліўных элементах, сцынтылятарах, дэтэктарах выпраменьвання, актынідах, плазме, ядзерных рэактарах, экрануючых матэрыялах, паглынанні нейтронаў і іншых тэхнічных напрамках.
4、 Канкрэтнае прымяненне і ключавыя патэнтныя даследаванні рэдказямельных элементаў у ядзерных матэрыялах
Сярод іх рэакцыі ядзернага сінтэзу і ядзернага дзялення ў ядзерных матэрыялах інтэнсіўныя, а патрабаванні да матэрыялаў строгія. У цяперашні час энергетычныя рэактары - гэта ў асноўным ядзерныя рэактары дзялення, а тэрмаядзерныя рэактары могуць быць шырока папулярызаваны праз 50 гадоў. Прымяненнерэдказямельныэлементы канструкцыйных матэрыялаў рэактара; У канкрэтных галінах ядзернай хіміі рэдказямельныя элементы ў асноўным выкарыстоўваюцца ў стрыжнях кіравання; Акрамя таго,скандыйтаксама выкарыстоўваецца ў радыёхіміі і ядзернай прамысловасці.
（1） У якасці гаручай атруты або стрыжня кіравання для рэгулявання ўзроўню нейтронаў і крытычнага стану ядзернага рэактара
У энергетычных рэактарах пачатковая рэшткавая рэакцыйная здольнасць новых актыўных зон звычайна адносна высокая. Асабліва на ранніх стадыях першага цыкла перазапраўкі, калі ўсё ядзернае паліва ў актыўнай зоне новае, астатняя рэакцыйная здольнасць самая высокая. На дадзены момант, абапіраючыся выключна на павелічэнне стрыжняў кіравання для кампенсацыі рэшткавай рэактыўнасці, будзе ўведзена больш стрыжняў кіравання. Кожны стрыжань кіравання (або пучок стрыжняў) адпавядае ўвядзенню складанага прываднага механізму. З аднаго боку, гэта павялічвае выдаткі, а з другога - адкрыццё адтулін у галоўцы ёмістасці пад ціскам можа прывесці да зніжэння трываласці канструкцыі. Гэта не толькі неэканамічна, але і недапушчальна мець пэўную сітаватасць і структурную трываласць на галоўцы ёмістасці пад ціскам. Аднак, не павялічваючы кантрольныя стрыжні, неабходна павялічыць канцэнтрацыю хімічных кампенсацыйных таксінаў (напрыклад, борнай кіслаты), каб кампенсаваць астатнюю рэакцыйную здольнасць. У гэтым выпадку канцэнтрацыя бору лёгка перавысіць парог, і тэмпературны каэфіцыент запавольніка стане станоўчым.
Каб пазбегнуць вышэйзгаданых праблем, для кантролю звычайна можна выкарыстоўваць камбінацыю гаручых таксінаў, стрыжняў кіравання і хімічнага кампенсацыйнага кантролю.
（2） У якасці дабаўкі для паляпшэння характарыстык канструкцыйных матэрыялаў рэактара
Рэактары патрабуюць, каб структурныя кампаненты і паліўныя элементы мелі пэўны ўзровень трываласці, устойлівасці да карозіі і высокай тэрмічнай стабільнасці, а таксама прадухілялі трапленне прадуктаў дзялення ў цепланосбіт.
1) Рэдказямельная сталь
Ядзерны рэактар мае экстрэмальныя фізічныя і хімічныя ўмовы, і кожны кампанент рэактара таксама мае высокія патрабаванні да спецыяльнай сталі, якая выкарыстоўваецца. Рэдказямельныя элементы аказваюць асаблівае мадыфікацыйнае ўздзеянне на сталь, у асноўным уключаючы ачыстку, метамарфізм, мікралегаванне і павышэнне каразійнай стойкасці. Сталі, якія змяшчаюць рэдказямельныя элементы, таксама шырока выкарыстоўваюцца ў ядзерных рэактарах.
① Эфект ачысткі: Існуючыя даследаванні паказалі, што рэдказямельныя элементы добра ачышчаюць расплаўленую сталь пры высокіх тэмпературах. Гэта таму, што рэдказямельныя элементы могуць уступаць у рэакцыю з такімі шкоднымі элементамі, як кісларод і сера ў расплаўленай сталі, утвараючы высокатэмпературныя злучэнні. Высокотэмпературныя злучэнні могуць выпадаць у асадак і вылучацца ў выглядзе ўключэнняў да таго, як расплаўленая сталь кандэнсуецца, тым самым памяншаючы ўтрыманне прымешак у расплаўленай сталі.
② Метамарфізм: з іншага боку, аксіды, сульфіды або аксісульфіды, якія ўтвараюцца ў выніку рэакцыі рэдказямельных элементаў у расплаўленай сталі са шкоднымі элементамі, такімі як кісларод і сера, могуць часткова затрымлівацца ў расплаўленай сталі і стаць уключэннямі сталі з высокай тэмпературай плаўлення. . Гэтыя ўключэнні могуць быць выкарыстаны ў якасці гетэрагенных цэнтраў нуклеации падчас зацвярдзення расплаўленай сталі, такім чынам паляпшаючы форму і структуру сталі.
③ Мікралегіраванне: пры далейшым павелічэнні колькасці рэдказямельных элементаў рэшткі рэдказямельных элементаў будуць растварацца ў сталі пасля завяршэння ачысткі і метамарфізму, апісаных вышэй. Паколькі атамны радыус рэдказямельных элементаў большы, чым у атама жалеза, рэдказямельныя рэчывы маюць больш высокую павярхоўную актыўнасць. У працэсе зацвярдзення расплаўленай сталі рэдказямельныя элементы ўзбагачаюцца на мяжы зерняў, што можа лепш паменшыць аддзяленне прымешак на мяжы зерняў, такім чынам умацоўваючы цвёрды раствор і выконваючы ролю мікралегіравання. З іншага боку, дзякуючы асаблівасцям захоўвання вадароду ў рэдказямельных элементах, яны могуць паглынаць вадарод у сталі, тым самым эфектыўна паляпшаючы з'яву вадароднай далікатнасці сталі.
④ Павышэнне ўстойлівасці да карозіі: даданне рэдказямельных элементаў можа таксама палепшыць каразійную ўстойлівасць сталі. Гэта таму, што рэдказямельныя элементы маюць больш высокі патэнцыял самакарозіі, чым нержавеючая сталь. Такім чынам, даданне рэдказямельных элементаў можа павялічыць патэнцыял самакаразіі нержавеючай сталі, тым самым паляпшаючы стабільнасць сталі ў агрэсіўных асяроддзях.
2). Ключавое патэнтнае даследаванне
Ключавы патэнт: патэнт на вынаходніцтва сталі з нізкай актывацыяй, умацаванай дысперсіяй аксіду, і метад яе падрыхтоўкі Інстытутам металаў Кітайскай акадэміі навук
Анатацыя на патэнт: Прадстаўлена аксідна-дысперсная ўмацаваная сталь з нізкай актывацыяй, прыдатная для рэактараў тэрмаядзернага сінтэзу, і спосаб яе падрыхтоўкі, які адрозніваецца тым, што працэнт легіруючых элементаў у агульнай масе сталі з нізкай актывацыяй складае: матрыца - 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 % і 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.
Вытворчы працэс: выплаўленне маткавага сплаву Fe-Cr-WV-Ta-Mn, распыленне парашка, высокаэнергічны шаравы памол маткавага сплаву іНаначасціца Y2O3змешаны парашок, ахінальнае выманне парашка, цвёрдае фармаванне, гарачая пракатка і тэрмічная апрацоўка.
Метад дадання рэдказямельных элементаў: дадаць нанамаштабY2O3часціцы зыходнага сплаву, распылены парашок для высокаэнергетычнага шаравога млыну, пры гэтым асяроддзем шаравога млына з'яўляюцца змешаныя цвёрдыя сталёвыя шары Φ 6 і Φ 10, атмасфера шаравога млына складаецца з 99,99% аргону, суадносіны масы шаравога матэрыялу (8- 10): 1, час шаравога памолу 40-70 гадзін і хуткасць кручэння 350-500 аб/мін.
3).Выкарыстоўваецца для вырабу матэрыялаў для абароны ад нейтроннага выпраменьвання
① Прынцып абароны ад нейтроннага выпраменьвання
Нейтроны з'яўляюцца кампанентамі атамных ядраў са статычнай масай 1,675 × 10-27 кг, што ў 1838 разоў перавышае электронную масу. Яго радыус складае прыблізна 0,8 × 10-15 м, падобны па памеры на пратон, падобны на γ-прамяні аднолькава незараджаныя. Калі нейтроны ўзаемадзейнічаюць з рэчывам, яны ў асноўным узаемадзейнічаюць з ядзернымі сіламі ўнутры ядра і не ўзаемадзейнічаюць з электронамі ў вонкавай абалонцы.
З хуткім развіццём ядзернай энергетыкі і тэхналогіі ядзерных рэактараў усё больш увагі надаецца ядзернай радыяцыйнай бяспецы і абароне ад ядзернага выпраменьвання. Для ўзмацнення радыяцыйнай абароны аператараў, якія працяглы час займаюцца абслугоўваннем радыяцыйнага абсталявання і аварыйна-выратавальнымі работамі, вялікае навуковае і эканамічнае значэнне мае распрацоўка лёгкіх экрануючых кампазітаў для ахоўнага адзення. Найважнейшай часткай выпраменьвання ядзерных рэактараў з'яўляецца нейтроннае выпраменьванне. Як правіла, большасць нейтронаў, якія знаходзяцца ў непасрэдным кантакце з чалавекам, былі запаволены да нейтронаў з нізкай энергіяй пасля эфекту экранавання нейтронаў канструкцыйных матэрыялаў унутры ядзернага рэактара. Нейтроны нізкай энергіі будуць пругка сутыкацца з ядрамі з меншым атамным нумарам і працягваць запавольвацца. Запаволеныя цеплавыя нейтроны будуць паглынацца элементамі з большым сячэннем паглынання нейтронаў, і, нарэшце, будзе дасягнута экранаванне нейтронаў.
② Даследаванне ключавога патэнта
Кітаватыя і арганіка-неарганічныя гібрыдныя ўласцівасцірэдказямельны элементгадолінійметалаарганічныя шкілетныя матэрыялы на аснове павышаюць іх сумяшчальнасць з поліэтыленам, спрыяючы таму, што сінтэзаваныя кампазітныя матэрыялы маюць больш высокае ўтрыманне гадолінія і дысперсію гадалінію. Высокае ўтрыманне гадалінію і яго дысперсія будуць непасрэдна ўплываць на характарыстыкі экранавання нейтронаў кампазітных матэрыялаў.
Ключавы патэнт: Інстытут матэрыялазнаўства Хэфэй Акадэміі навук Кітая, патэнт на вынаходніцтва кампазітнага экрануючага матэрыялу на арганічнай каркасе на аснове гадолінію і метад яго падрыхтоўкі
Анатацыя патэнта: кампазітны экрануючы матэрыял металічнага арганічнага шкілета на аснове гадолінію - гэта кампазітны матэрыял, утвораны шляхам змешваннягадолінійна аснове металічнага арганічнага шкілетнага матэрыялу з поліэтыленам у вагавых суадносінах 2:1:10 і фармаванне яго шляхам выпарвання растваральніка або гарачага прэсавання. Кампазітныя ахоўныя матэрыялы металічнага арганічнага шкілета на аснове гадолінію валодаюць высокай тэрмічнай стабільнасцю і здольнасцю экранаваць цеплавыя нейтроны.
Вытворчы працэс: выбар розныхметалічны гадолінійсолі і арганічныя ліганды для падрыхтоўкі і сінтэзу розных тыпаў металічных арганічных шкілетных матэрыялаў на аснове гадолінію, прамываючы іх невялікімі малекуламі метанолу, этанолу або вады шляхам цэнтрыфугавання і актывуючы іх пры высокай тэмпературы ва ўмовах вакууму для поўнага выдалення рэшткаў сыравіны, якая не прарэагавала у порах гадоліній на аснове металічных арганічных матэрыялаў шкілета; Металаарганічны шкілетны матэрыял на аснове гадолінія, прыгатаваны на этапе, змешваюць з поліэтыленавым ласьёнам на высокай хуткасці або ультрагукам, або металаарганічны каркасны матэрыял на аснове гадолінія, прыгатаваны на этапе, змешваюць у расплаве з поліэтыленам са звышвысокай малекулярнай масай пры высокай тэмпературы да поўнага змешвання; Змесціце раўнамерна змешаную сумесь металічнага арганічнага шкілетнага матэрыялу на аснове гадолінію/поліэтылену ў форму і атрымайце сфармаваны кампазітны ахоўны матэрыял металічнага арганічнага каркаса на аснове гадолінію шляхам высушвання для садзейнічання выпарэнню растваральніка або гарачага прэсавання; Падрыхтаваны металічна-арганічны шкілетны кампазітны экрануючы матэрыял на аснове гадолінію мае значна палепшаную тэрмаўстойлівасць, механічныя ўласцівасці і цудоўную здольнасць экранаваць цеплавыя нейтроны ў параўнанні з матэрыяламі з чыстага поліэтылену.
Рэжым дадання рэдказямельных элементаў: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 або Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 поры крышталічны каардынацыйны палімер, які змяшчае гадоліній, які атрымліваецца шляхам каардынацыйнай полімерызацыіGd (NO3) 3 • 6H2O або GdCl3 • 6H2Oі арганічны карбоксилатный лиганд; Памер металічнага арганічнага шкілетнага матэрыялу на аснове гадолінію складае 50 нм-2 мкм； Металічны арганічны каркасны матэрыял на аснове гадолінію мае розную марфалогію, у тым ліку грануляваную, палачкападобную або іголкападобныя формы.
（4） Ужываннескандыйу радыёхіміі і ядзернай прамысловасці
Металічны скандый валодае добрай тэрмічнай стабільнасцю і моцным паглынаннем фтору, што робіць яго незаменным матэрыялам у атамнай энергетыцы.
Ключавы патэнт: Кітайскі аэракасмічны інстытут Пекінскага інстытута авіяцыйных матэрыялаў, патэнт на вынаходніцтва алюмініева-цынкавага магніева-скандыйнага сплаву і метад яго падрыхтоўкі
Анатацыя на патэнт: алюмініевы цынксплаў магнію і скандыюі спосаб яго падрыхтоўкі. Хімічны склад і вагавая доля сплаву алюмінію, цынку, магнію і скандыю: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, прымешкі Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, іншыя прымешкі адзінкавыя ≤ 0,05%, агульная колькасць іншых прымешак ≤ 0,15%, а астатняя колькасць - Al. Мікраструктура гэтага матэрыялу са сплаву алюмінію, цынку, магнію і скандыю з'яўляецца аднастайнай, а яго характарыстыкі стабільнымі, з мяжой трываласці на разрыў больш за 400 МПа, мяжой цякучасці больш за 350 МПа і мяжой трываласці на разрыў больш за 370 МПа для зварных злучэнняў. Матэрыяльныя вырабы могуць выкарыстоўвацца ў якасці канструкцыйных элементаў у аэракасмічнай, атамнай прамысловасці, на транспарце, у вытворчасці спартыўных тавараў, зброі і іншых галінах.
Вытворчы працэс: Крок 1, інгрэдыент у адпаведнасці з названым вышэй складам сплаву; Крок 2: Расплавіце ў плавільнай печы пры тэмпературы 700 ℃ ~ 780 ℃; Крок 3: ачысціце вадкасць цалкам расплаўленага металу і падтрымлівайце тэмпературу металу ў межах 700 ℃ ~ 750 ℃ падчас рафінавання; Крок 4: Пасля рафінавання варта цалкам даць пастаяць; Крок 5: Пасля поўнага стаяння пачніце ліццё, падтрымлівайце тэмпературу печы ў дыяпазоне 690 ℃ ~ 730 ℃, а хуткасць ліцця складае 15-200 мм/мін; Крок 6: Выканайце апрацоўку гамагенізацыйным адпалам на злітку сплаву ў награвальнай печы з тэмпературай гамагенізацыі 400 ℃~470 ℃; Крок 7: Ачысціце гамагенізаваны злітак і выканайце гарачую экструзію для атрымання профіляў з таўшчынёй сценкі больш за 2,0 мм. У працэсе экструзіі нарыхтоўка павінна падтрымлівацца пры тэмпературы ад 350 ℃ да 410 ℃; Крок 8: Сцісніце профіль для апрацоўкі загартоўкі растворам з тэмпературай раствора 460-480 ℃; Крок 9: Пасля 72 гадзін загартоўкі ў цвёрдым растворы прымусовае старэнне ўручную. Сістэма прымусовага старэння ўручную: 90~110 ℃/24 гадзіны+170~180 ℃/5 гадзін або 90~110 ℃/24 гадзіны+145~155 ℃/10 гадзін.
5、 Рэзюмэ даследавання
У цэлым рэдказямельныя элементы шырока выкарыстоўваюцца ў ядзерным сінтэзе і ядзерным дзяленні і маюць мноства патэнтных макетаў у такіх тэхнічных напрамках, як рэнтгенаўскае ўзбуджэнне, адукацыя плазмы, лёгкаводны рэактар, трансуран, ураніл і аксідны парашок. Што тычыцца рэактарных матэрыялаў, рэдказямельныя элементы могуць выкарыстоўвацца ў якасці канструкцыйных матэрыялаў рэактараў і звязаных з імі керамічных ізаляцыйных матэрыялаў, кантрольных матэрыялаў і матэрыялаў для абароны ад нейтроннага выпраменьвання.
Час размяшчэння: 26 мая 2023 г