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 ядзернай тэхнікі, г.зн. неядзерных паліўных матэрыялаў.
Пад ядзернымі матэрыяламі звычайна разумеюцца матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў розных частках рэактара, таксама вядомыя як рэактарныя матэрыялы. Да рэактарных матэрыялаў адносяцца ядзернае паліва, якое падвяргаецца дзяленню ядзер пад уздзеяннем нейтронаў, абалонкавыя матэрыялы для кампанентаў ядзернага паліва, цепланосбіты, запавольвальнікі нейтронаў (мадэратары), матэрыялы кіруючых стрыжняў, якія моцна паглынаюць нейтроны, і адбівальныя матэрыялы, якія прадухіляюць уцечку нейтронаў за межы рэактара.
2. Сувязь паміж рэдказямельнымі рэсурсамі і ядзернымі рэсурсамі
Манацыт, таксама званы фосфакерытам і фасфакерытам, з'яўляецца распаўсюджаным дапаможным мінералам у прамежкавых кіслых магматычных і метамарфічных пародах. Манацыт — адзін з асноўных мінералаў руд рэдказямельных металаў, а таксама сустракаецца ў некаторых асадкавых пародах. Карычнева-чырвоны, жоўты, часам карычнева-жоўты, з тлустым бляскам, поўнай спайнасцю, цвёрдасцю па Моосу 5-5,5 і ўдзельнай вагой 4,9-5,5.
Асноўным рудным мінералам некаторых радовішчаў рэдказямельных элементаў россыпнага тыпу ў Кітаі з'яўляецца манацыт, які ў асноўным знаходзіцца ў правінцыях Тунчэн, Хубэй, Юэян, Хунань, Шанжао, Цзянсі, Мэнхай, Юньнань і павеце Хэ, Гуансі. Аднак здабыча рэдказямельных рэсурсаў россыпнага тыпу часта не мае эканамічнага значэння. Адзінкавыя камяні часта ўтрымліваюць рэфлексіўныя элементы торыю і таксама з'яўляюцца асноўнай крыніцай камерцыйнага плутонію.
3. Агляд прымянення рэдказямельных элементаў у ядзерным сінтэзе і дзяленні ядзер на аснове панарамнага аналізу патэнтаў.
Пасля таго, як ключавыя словы пошуку рэдказямельных элементаў цалкам расшыфраваны, яны аб'ядноўваюцца з ключамі расшырэння і класіфікацыйнымі нумарамі ядзернага дзялення і ядзернага сінтэзу і шукаюцца ў базе дадзеных Incopt. Дата пошуку - 24 жніўня 2020 года. 4837 патэнтаў былі атрыманы пасля простага аб'яднання сямействаў, а 4673 патэнты былі вызначаны пасля штучнага шумапрыглушэння.
Заяўкі на патэнты на рэдказямельныя элементы ў галіне ядзернага дзялення або ядзернага сінтэзу размеркаваны ў 56 краінах/рэгіёнах, у асноўным сканцэнтраваных у Японіі, Кітаі, ЗША, Германіі і Расіі і г.д. Значная колькасць патэнтаў падаецца ў форме PCT, прычым колькасць заявак на патэнтныя тэхналогіі ў Кітаі расце, асабліва з 2009 года, калі яны ўступілі ў стадыю хуткага росту, і Японія, ЗША і Расія працягваюць працаваць у гэтай галіне на працягу многіх гадоў (малюнак 1).
Малюнак 1 Тэндэнцыя падачы заявак на тэхналагічныя патэнты, звязаныя з ужываннем 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 сканцэнтравана на паліўных элементах, сцынтылятарах, дэтэктарах выпраменьвання, актынідах, плазме, ядзерных рэактарах, ахоўных матэрыялах, паглынанні нейтронаў і іншых тэхнічных напрамках.
4. Канкрэтныя прымяненні і ключавыя патэнтныя даследаванні рэдказямельных элементаў у ядзерных матэрыялах
Сярод іх рэакцыі ядзернага сінтэзу і дзялення ядзер у ядзерных матэрыялах інтэнсіўныя, і патрабаванні да матэрыялаў строгія. У цяперашні час энергетычныя рэактары ў асноўным з'яўляюцца рэактарамі ядзернага дзялення, і тэрмаядзерныя рэактары могуць атрымаць шырокае распаўсюджванне праз 50 гадоў. Ужываннерэдказямельныяэлементы ў канструкцыйных матэрыялах рэактараў; У пэўных галінах ядзернай хіміі рэдказямельныя элементы ў асноўным выкарыстоўваюцца ў кіруючых стрыжнях; акрамя тагоскандыйтаксама выкарыстоўваецца ў радыяхіміі і ядзернай прамысловасці.
(1) У якасці гаручага атрутнага рэчыва або рэгулюючага стрыжня для рэгулявання ўзроўню нейтронаў і крытычнага стану ядзернага рэактара
У энергетычных рэактарах пачатковая рэшткавая рэактыўнасць новых актыўных зон звычайна адносна высокая. Асабліва на ранніх стадыях першага цыклу перазарадкі, калі ўсё ядзернае паліва ў актыўнай зоне новае, рэшткавая рэактыўнасць найбольшая. У гэты момант, калі спадзявацца выключна на павелічэнне колькасці кіруючых стрыжняў для кампенсацыі рэшткавай рэактыўнасці, гэта прывядзе да павелічэння колькасці кіруючых стрыжняў. Кожны кіруючы стрыжань (або пучок стрыжняў) адпавядае ўкараненню складанага прываднага механізму. З аднаго боку, гэта павялічвае выдаткі, а з іншага боку, адкрыццё адтулін у вечку корпуса пад ціскам можа прывесці да зніжэння трываласці канструкцыі. Гэта не толькі неэканамічна, але і не дазваляецца мець пэўную колькасць сітаватасці і трываласці канструкцыі на вечку корпуса пад ціскам. Аднак без павелічэння колькасці кіруючых стрыжняў неабходна павялічыць канцэнтрацыю хімічных кампенсуючых таксінаў (напрыклад, борнай кіслаты), каб кампенсаваць рэшткавую рэактыўнасць. 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, кіруючых стрыжняў і хімічнага кампенсацыйнага кантролю.
(2) У якасці легуючай дабаўкі для павышэння прадукцыйнасці канструкцыйных матэрыялаў рэактара
Рэактары патрабуюць, каб структурныя кампаненты і паліўныя элементы мелі пэўны ўзровень трываласці, каразійную стойкасць і высокую тэрмічную стабільнасць, 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 асаблівы ўплыў на сталь, у асноўным уключаючы ачыстку, метамарфізм, мікралегіраванне і паляпшэнне 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 звязана з тым, што рэдказямельныя элементы могуць рэагаваць са шкоднымі элементамі, такімі як кісларод і сера, у расплаўленай сталі, утвараючы высокатэмпературныя злучэнні. Высокатэмпературныя злучэнні могуць выпадаць у асадак і вылучацца ў выглядзе ўключэнняў перад кандэнсацыяй расплаўленай сталі, тым самым зніжаючы ўтрыманне прымешак у расплаўленай сталі.
② Метамарфізм: з іншага боку, аксіды, сульфіды або оксісульфіды, 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 ператварацца ў ўключэнні сталі з высокай тэмпературай плаўлення. Гэтыя ўключэнні могуць выкарыстоўвацца ў якасці гетэрагенных цэнтраў зародкаўтварэння падчас зацвярдзення расплаўленай сталі, тым самым паляпшаючы форму і структуру сталі.
③ Мікралегаванне: калі дадаць яшчэ больш рэдказямельных элементаў, то астатнія рэдказямельныя элементы раствараюцца ў сталі пасля вышэйзгаданай ачысткі і метамарфізму. Паколькі атамны радыус рэдказямельных элементаў большы, чым у атама жалеза, яны маюць больш высокую павярхоўную актыўнасць. Падчас працэсу зацвярдзення расплаўленай сталі рэдказямельныя элементы ўзбагачаюцца на мяжы зерняў, што можа лепш паменшыць сегрэгацыю прымесных элементаў на мяжы зерняў, тым самым умацоўваючы цвёрды раствор і выконваючы ролю мікралегавання. З іншага боку, дзякуючы ўласцівасцям рэдказямельных элементаў назапашваць вадарод, яны могуць паглынаць вадарод у сталі, тым самым эфектыўна паляпшаючы з'яву вадароднай охрупченнасці сталі.
④ Паляпшэнне каразійнай устойлівасці: даданне рэдказямельных элементаў таксама можа палепшыць каразійную ўстойлівасць сталі. Гэта звязана з тым, што рэдказямельныя элементы маюць больш высокі патэнцыял самакаразіі, чым нержавеючая сталь. Такім чынам, даданне рэдказямельных элементаў можа павялічыць патэнцыял самакаразіі нержавеючай сталі, тым самым паляпшаючы ўстойлівасць сталі ў агрэсіўных асяроддзях.
2). Ключавое патэнтнае даследаванне
Ключавы патэнт: патэнт на вынаходніцтва нізкаактывацыйнай сталі, умацаванай дысперсійным аксідам, і спосабу яе атрымання, падрыхтаваны Інстытутам металаў Кітайскай акадэміі навук
Анатацыя патэнта: Прапанавана дысперсійна ўмацаваная аксідная сталь з нізкім узроўнем актывацыі, прыдатная для тэрмаядзерных рэактараў, і спосаб яе атрымання, які характарызуецца тым, што працэнт легіруючых элементаў у агульнай масе сталі з нізкім узроўнем актывацыі 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: плаўленне мацярынскага сплаву Fe-Cr-WV-Ta-Mn, распыленне парашка, высокаэнергетычнае шаровае памолванне мацярынскага сплаву іНаначасціцы Y2O3змешаны парашок, экстракцыя парашка, якая абгортвае яго, фармаванне пры зацвярдзенні, гарачая пракатка і тэрмічная апрацоўка.
Метад дадання рэдказямельных элементаў: даданне нанамаштабуY2O3часціц у распылены парашок асноўнага сплаву для высокаэнергетычнага шаровага млына, прычым асяроддзем шаровага млына з'яўляюцца шарыкі з цвёрдай сталі змяшанага памеру Φ 6 і Φ 10, у атмасферы шаровага млына з 99,99% аргону, суадносінамі мас матэрыялу шарыкаў (8-10): 1, часам шаровага млына 40-70 гадзін і хуткасцю 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 × 10⁻¹⁰ м, што падобна па памеры да пратона, падобна гама-прамяням. Яны таксама незараджаныя. Калі нейтроны ўзаемадзейнічаюць з рэчывам, яны ў асноўным узаемадзейнічаюць з ядзернымі сіламі ўнутры ядра і не ўзаемадзейнічаюць з электронамі на знешняй абалонцы.
З хуткім развіццём ядзернай энергетыкі і тэхналогій ядзерных рэактараў усё большая ўвага надаецца бяспецы ядзернага выпраменьвання і абароне ад яго. Для ўзмацнення радыяцыйнай абароны аператараў, якія доўгі час займаліся тэхнічным абслугоўваннем радыяцыйнага абсталявання і выратаваннем пасля аварый, вялікае навуковае і эканамічнае значэнне мае распрацоўка лёгкіх ахоўных кампазітаў для ахоўнага адзення. Нейтроннае выпраменьванне з'яўляецца найважнейшай часткай выпраменьвання ядзернага рэактара. Як правіла, большасць нейтронаў, якія непасрэдна кантактуюць з людзьмі, запавольваюцца да нізкаэнергетычных нейтронаў пасля эфекту нейтроннага экранавання канструкцыйнымі матэрыяламі ўнутры ядзернага рэактара. Нізкаэнергетычныя нейтроны будуць пругка сутыкацца з ядрамі з ніжэйшым атамным нумарам і працягваць запавольвацца. Запавольваныя цеплавыя нейтроны будуць паглынацца элементамі з большым папярочным сячэннем паглынання нейтронаў, і ў рэшце рэшт будзе дасягнута нейтроннае экранаванне.
② Ключавое даследаванне патэнтаў
Порыстыя і арганічна-неарганічныя гібрыдныя ўласцівасцірэдказямельны элементгадалінійАрганічная шкілетная структура на аснове металу павялічвае сваю сумяшчальнасць з поліэтыленам, што спрыяе павышэнню ўтрымання і дысперсіі гадалінія ў сінтэзаваных кампазітных матэрыялах. Высокае ўтрыманне і дысперсія гадалінія непасрэдна ўплываюць на характарыстыкі нейтроннага экранавання кампазітных матэрыялаў.
Ключавы патэнт: Хэфэйскі інстытут матэрыялазнаўства Кітайскай акадэміі навук, патэнт на вынаходніцтва кампазітнага ахоўнага матэрыялу на аснове арганічнага каркаса на аснове гадалінія і спосабу яго атрымання
Анатацыя патэнта: Кампазітны ахоўны матэрыял на аснове металічнага арганічнага шкілета на аснове гадалінія - гэта кампазітны матэрыял, які ўтвараецца шляхам змешваннягадалінійметалаарганічнага каркаснага матэрыялу на аснове поліэтылену ў вагавой суадносінах 2:1:10 і фарміравання яго шляхам выпарвання растваральніка або гарачага прэсавання. Кампазітныя ахоўныя матэрыялы з металаарганічнага каркаса на аснове гадалінія валодаюць высокай тэрмічнай стабільнасцю і здольнасцю абараняць ад цеплавых нейтронаў.
Вытворчы працэс: выбар розныхметалічны гадалінійсолі і арганічныя ліганды для падрыхтоўкі і сінтэзу розных тыпаў металічных арганічных шкілетных матэрыялаў на аснове гадалінія, прамыванне іх малымі малекуламі метанолу, этанолу або вады шляхам цэнтрыфугавання і актывацыя пры высокай тэмпературы ў вакуумных умовах для поўнага выдалення рэшткавых нерэагаваных сыравін у порах металічных арганічных шкілетных матэрыялаў на аснове гадалінія; арганаметалічны шкілетны матэрыял на аснове гадалінія, падрыхтаваны на этапе, змешваюць з поліэтыленавым ласьёнам на высокай хуткасці або ультрагукам, або арганаметалічны шкілетны матэрыял на аснове гадалінія, падрыхтаваны на этапе, расплавляюць з поліэтыленам звышвысокай малекулярнай масай пры высокай тэмпературы да поўнага змешвання; змяшчаюць аднастайна змяшаную сумесь металічнага арганічнага шкілетнага матэрыялу на аснове гадалінія і поліэтылену ў форму і атрымліваюць сфармаваны кампазітны ахоўны матэрыял на аснове металічнага арганічнага шкілета на аснове гадалінія шляхам сушкі для садзейнічання выпарэнню растваральніка або гарачага прэсавання; падрыхтаваны кампазітны ахоўны матэрыял на аснове металічнага арганічнага шкілета мае значна палепшаную цеплаўстойлівасць, механічныя ўласцівасці і лепшую здольнасць абараняць ад цеплавых нейтронаў у параўнанні з чыстымі поліэтыленавымі матэрыяламі.
Спосаб дадання рэдказямельных элементаў: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 або Gd (BDC)1.5(H2O)2 — порысты крышталічны каардынацыйны палімер, які змяшчае гадаліній і атрымліваецца шляхам каардынацыйнай палімерызацыі.Gd (NO3)3 • 6H2O або GdCl3 • 6H2Oі арганічны карбаксілатны ліганд; Памер металічнага арганічнага шкілетнага матэрыялу на аснове гадалінія складае 50 нм-2 мкм; металічныя арганічныя шкілетныя матэрыялы на аснове гадалінія маюць розную марфалогію, у тым ліку грануляваную, стрыжнепадобную або іголкападобную форму.
(4) УжываннеСкандыйу радыяхіміі і ядзернай прамысловасці
Металічны скандый мае добрую тэрмічную стабільнасць і высокую ўласцівасць паглынання фтору, што робіць яго незаменным матэрыялам у атамнай энергетыцы.
Ключавы патэнт: Пекінскі інстытут авіяцыйных матэрыялаў, патэнт на вынаходніцтва сплаву алюмінію, цынку, магнію і скандыя і спосабу яго атрымання
Анатацыя патэнта: алюмініева-цынкавымагніевы сплаў скандыяі спосаб яго атрымання. Хімічны склад і працэнтнае ўтрыманне ў вазе сплаву алюмінію, цынку і магнію-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%, іншыя прымешкі агульная колькасць ≤ 0,15%, астатняя колькасць - Al. Мікраструктура гэтага сплаву алюмінію, цынку і магнію-скандыю аднастайная, а яго характарыстыкі стабільныя, з мяжой трываласці на расцяжэнне больш за 400 МПа, мяжой цякучасці больш за 350 МПа і трываласцю на расцяжэнне больш за 370 МПа для зварных злучэнняў. Матэрыял можа выкарыстоўвацца ў якасці канструкцыйных элементаў у аэракасмічнай, ядзернай прамысловасці, транспарце, спартыўных таварах, зброі і іншых галінах.
Працэс вытворчасці: Этап 1, інгрэдыент у адпаведнасці з вышэйзгаданым складам сплаву; Этап 2: Расплаўленне ў плавільнай печы пры тэмпературы 700 ℃~780 ℃; Этап 3: Рафінаванне цалкам расплаўленай металічнай вадкасці і падтрыманне тэмпературы металу ў дыяпазоне 700 ℃~750 ℃ падчас рафінавання; Этап 4: Пасля рафінавання ёй трэба даць цалкам астыць; Этап 5: Пасля поўнага астывання пачаць ліццё, падтрымліваць тэмпературу печы ў дыяпазоне 690 ℃~730 ℃, хуткасць ліцця 15-200 мм/мін; Этап 6: Выкананне гамагенізацыйнага адпалу на злітку сплаву ў награвальнай печы пры тэмпературы гамагенізацыі 400 ℃~470 ℃; Этап 7: Адлучэнне гамагенізаванага злітка і выкананне гарачай экструзіі для атрымання профіляў з таўшчынёй сценкі больш за 2,0 мм. Падчас працэсу экструзіі тэмпература нарыхтоўкі павінна падтрымлівацца ў дыяпазоне ад 350 ℃ да 410 ℃; Этап 8: Сцісканне профілю для апрацоўкі загартоўкай у раствор пры тэмпературы раствора 460-480 ℃; Этап 9: Пасля 72 гадзін загартоўкі ў цвёрды раствор, ручное прымусовае старэнне. Сістэма ручнога прымусовага старэння: 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 шмат патэнтных заявак у такіх тэхнічных напрамках, як рэнтгенаўскае ўзбуджэнне, утварэнне плазмы, лёгкаводныя рэактары, трансуран, ураніл і аксідны парашок. Што тычыцца рэактарных матэрыялаў, то рэдказямельныя элементы могуць выкарыстоўвацца ў якасці канструкцыйных матэрыялаў для рэактараў і адпаведных керамічных ізаляцыйных матэрыялаў, кантрольных матэрыялаў і матэрыялаў для абароны ад нейтроннага выпраменьвання.
Час публікацыі: 26 мая 2023 г.