استفاده از عناصر نادر زمین در مواد هسته ای

1 、 تعریف مواد هسته ای

به معنای گسترده ، مواد هسته ای اصطلاح کلی برای موادی است که منحصراً در صنعت هسته ای و تحقیقات علمی هسته ای از جمله سوخت هسته ای و مواد مهندسی هسته ای ، یعنی مواد سوختی غیر هسته ای استفاده می شود.

معمولاً به مواد هسته ای اشاره می شود که عمدتا به مواد مورد استفاده در قسمت های مختلف راکتور ، که به عنوان مواد راکتور نیز شناخته می شود ، اشاره دارد. مواد راکتور شامل سوخت هسته ای است که تحت بمباران نوترونی ، مواد روکش شده برای اجزای سوخت هسته ای ، خنک کننده ها ، تعدیل کننده های نوترون (تعدیل کننده ها) ، مواد میله ای که نوترون ها را به شدت جذب می کنند ، تحت شکافت هسته ای قرار می گیرند.

2 、 رابطه مرتبط با منابع نادر زمین و منابع هسته ای

مونازیت ، که به آن فسفوسریت و فسفوسریت نیز گفته می شود ، یک ماده معدنی متداول لوازم جانبی در سنگ آذرین اسید واسطه و سنگ دگرگونی است. مونازیت یکی از اصلی ترین مواد معدنی سنگ معدن فلزی نادر است و همچنین در برخی از سنگهای رسوبی وجود دارد. قرمز قهوه ای ، زرد ، گاه به رنگ زرد قهوه ای ، با درخشش چرب ، شکاف کامل ، سختی های Mohs 5-5.5 و وزن مخصوص 4.9-5.5.

ماده معدنی اصلی سنگ معدن برخی از ذخایر خاکی نادر از نوع پلاس در چین ، مونازیت است که عمدتاً در تونگچنگ ، ​​هوبی ، یویانگ ، هونان ، شانگرائو ، جیانگشی ، منهای ، یوننان و او ، گوانگشی واقع شده است. با این حال ، استخراج منابع خاکی نادر از نوع Placer اغلب از اهمیت اقتصادی برخوردار نیست. سنگهای انفرادی اغلب حاوی عناصر توریم بازتابنده هستند و همچنین منبع اصلی پلوتونیوم تجاری هستند.

3 、 نمای کلی از کاربردهای نادر زمین در همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای بر اساس تجزیه و تحلیل پانوراما ثبت اختراع

پس از گسترش کلمات کلیدی عناصر جستجوی زمین نادر ، آنها با کلیدهای انبساط و تعداد طبقه بندی شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای ترکیب می شوند و در پایگاه داده Incopt جستجو می شوند. تاریخ جستجو 24 اوت 2020 است. 4837 اختراع ثبت شده پس از ادغام خانواده ساده به دست آمد و 4673 اختراع ثبت اختراع پس از کاهش نویز مصنوعی تعیین شد.

کاربردهای ثبت اختراع نادر زمین در زمینه شکافت هسته ای یا همجوشی هسته ای در 56 کشور/منطقه توزیع می شود ، که عمدتا در ژاپن ، چین متمرکز شده است ، این ایالات متحده ، آلمان و روسیه و غیره. تعداد قابل توجهی از حق ثبت اختراع به شکل PCT اعمال می شود ، که از آن استفاده می کند که برنامه های فناوری ثبت اختراع چینی ، به ویژه از سال 2009 ، وارد یک مرحله رشد سریع ، و ژاپن ، و ژاپن است.

شکل 1 روند کاربرد ثبت اختراعات فناوری مربوط به کاربردهای نادر زمین در شکافت هسته ای هسته ای و همجوشی هسته ای در کشورها/مناطق

از تجزیه و تحلیل مضامین فنی می توان دریافت که استفاده از زمین نادر در همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای بر عناصر سوخت ، اسکینتیلاتورها ، آشکارسازهای تابش ، اکتینیدها ، پلاسما ، راکتورهای هسته ای ، مواد محافظ ، جذب نوترون و سایر جهتهای فنی متمرکز است.

4 、 برنامه های کاربردی خاص و تحقیقات کلیدی ثبت اختراع از عناصر نادر زمین در مواد هسته ای

در میان آنها ، همجوشی هسته ای و واکنش های شکافت هسته ای در مواد هسته ای شدید است و الزامات مواد سختگیرانه است. در حال حاضر ، راکتورهای برق عمدتا راکتورهای شکافت هسته ای هستند و راکتورهای فیوژن ممکن است پس از 50 سال در مقیاس بزرگ محبوب شوند. کاربردزمین نادرعناصر موجود در مواد ساختاری راکتور. در زمینه های شیمیایی خاص هسته ای ، عناصر نادر زمین به طور عمده در میله های کنترل استفاده می شوند. علاوه بر این ،رسواییهمچنین در رادیشیمی و صنعت هسته ای مورد استفاده قرار گرفته است.

（1） به عنوان سم قابل احتراق یا میله کنترل برای تنظیم سطح نوترون و وضعیت بحرانی راکتور هسته ای

در راکتورهای قدرت ، واکنش اولیه باقیمانده هسته های جدید به طور کلی نسبتاً زیاد است. به خصوص در مراحل اولیه چرخه سوخت گیری اول ، هنگامی که تمام سوخت هسته ای موجود در هسته جدید است ، واکنش پذیری باقیمانده بالاترین است. در این مرحله ، تنها با تکیه بر افزایش میله های کنترل برای جبران واکنش باقیمانده ، میله های کنترل بیشتری را معرفی می کند. هر میله کنترل (یا بسته نرم افزاری میله) با معرفی یک مکانیسم پیچیده رانندگی مطابقت دارد. از یک طرف ، این هزینه ها را افزایش می دهد و از طرف دیگر ، باز کردن سوراخ در سر رگ فشار می تواند منجر به کاهش قدرت ساختاری شود. نه تنها غیر اقتصادی است ، بلکه مجاز نیست مقدار مشخصی از تخلخل و استحکام ساختاری در سر رگ فشار داشته باشد. با این حال ، بدون افزایش میله های کنترل ، لازم است غلظت سموم جبران کننده شیمیایی (مانند اسید بوریک) را برای جبران واکنش باقی مانده افزایش دهید. در این حالت ، غلظت بور بیش از آستانه آسان است و ضریب دمای مجری مثبت خواهد شد.

برای جلوگیری از مشکلات فوق ، ترکیبی از سموم قابل احتراق ، میله های کنترل و کنترل جبران خسارت شیمیایی به طور کلی برای کنترل قابل استفاده است.

（2） به عنوان یک دوپانت برای تقویت عملکرد مواد ساختاری راکتور

راکتورها برای داشتن سطح خاصی از استحکام ، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی بالا به اجزای ساختاری و عناصر سوخت نیاز دارند ، در حالی که از ورود محصولات شکافت به مایع خنک کننده نیز جلوگیری می کنند.

1).

راکتور هسته ای دارای شرایط فیزیکی و شیمیایی شدید است و هر یک از مؤلفه های راکتور نیز برای فولاد مخصوص مورد استفاده نیازهای زیادی دارد. عناصر نادر زمین دارای اثرات اصلاح ویژه ای بر روی فولاد ، عمدتاً شامل تصفیه ، دگرگونی ، میکروالیالینگ و بهبود مقاومت در برابر خوردگی هستند. فولادهای نادر زمین حاوی زمین نیز به طور گسترده در راکتورهای هسته ای استفاده می شود.

① اثر تصفیه: تحقیقات موجود نشان داده است که زمین های نادر اثر تصفیه خوبی بر روی فولاد مذاب در دماهای بالا دارند. این امر به این دلیل است که زمین های نادر می توانند با عناصر مضر مانند اکسیژن و گوگرد در فولاد مذاب برای تولید ترکیبات درجه حرارت بالا واکنش نشان دهند. ترکیبات درجه حرارت بالا می توانند قبل از چگالش فولادی مذاب ، به صورت اجزاء رسوب و تخلیه شوند و از این طریق میزان ناخالصی را در فولاد مذاب کاهش می دهند.

② دگرگونی: از طرف دیگر ، اکسیدها ، سولفیدها یا اکسی سولفیدهای ناشی از واکنش زمین نادر در فولاد مذاب با عناصر مضر مانند اکسیژن و گوگرد می توانند تا حدی در فولاد مذاب حفظ شوند و با نقط ذوب بالا تبدیل به اجزاء فولاد شوند. این اجزاء می توانند به عنوان مراکز هسته ناهمگن در حین جامد شدن فولاد مذاب استفاده شوند ، بنابراین شکل و ساختار فولاد را بهبود می بخشد.

③ ریزگردها: اگر افزودن زمین نادر بیشتر افزایش یابد ، پس از تکمیل تصفیه و دگردیسی فوق ، زمین نادر باقی مانده در فولاد حل می شود. از آنجا که شعاع اتمی زمین نادر از اتم آهن بزرگتر است ، زمین نادر دارای فعالیت سطح بالاتری است. در طی فرآیند جامد سازی فولاد مذاب ، عناصر نادر زمین در مرز دانه غنی می شوند ، که می تواند باعث کاهش تفکیک عناصر ناخالصی در مرز دانه شود ، بنابراین محلول جامد را تقویت کرده و نقش ریزگردها را بازی می کند. از طرف دیگر ، به دلیل ویژگی های ذخیره سازی هیدروژن از زمین های نادر ، آنها می توانند هیدروژن را در فولاد جذب کنند و از این طریق به طور موثری پدیده آغوش هیدروژن فولاد را بهبود می بخشند.

④ بهبود مقاومت در برابر خوردگی: افزودن عناصر نادر زمین نیز می تواند مقاومت در برابر خوردگی فولاد را بهبود بخشد. این امر به این دلیل است که زمین های نادر از پتانسیل خوردگی بالاتری نسبت به فولاد ضد زنگ برخوردار هستند. بنابراین ، افزودن زمین های نادر می تواند پتانسیل خوردگی خود را از جنس استنلس استیل افزایش دهد و از این طریق پایداری فولاد در رسانه های خورنده را بهبود بخشد.

2) مطالعه حق ثبت اختراع

حق ثبت اختراع کلیدی: اختراع اختراع پراکندگی اکسید باعث تقویت فولاد فعال سازی کم و روش آماده سازی آن توسط انستیتوی فلزات ، آکادمی علوم چین

ثبت اختراع چکیده: یک پراکندگی اکسید تقویت شده از فولاد فعال سازی کم مناسب برای راکتورهای فیوژن و روش آماده سازی آن ، به این ترتیب مشخص می شود که درصد عناصر آلیاژ در کل فولاد فعال سازی کم ، ماتریس است ، 0.08 ٪ ≤ C ≤ 0.15 ٪ ، 8.0 ٪ ≤ Cr ≤ 10.0 ٪ ، 1.1 ٪ ≤ W W W W W W W W W W W W W W W W W W. ≤ TA ≤ 0.2 ٪ ، 0.1 mn MN 0.6 ٪ و 0.05 ≤ y2O3 ≤ 0.5 ٪.

فرآیند تولید: ذوب آلیاژ مادر Fe-Cr-Cr-WV-Mn ، اتمیزاسیون پودر ، آسیاب توپ با انرژی بالا از آلیاژ مادر ونانوذرات Y2O3پودر مخلوط ، استخراج پوشانده پودر ، قالب گیری جامد سازی ، نورد گرم و عملیات حرارتی.

روش اضافه زمین نادر: اضافه کردن نانوy2O3ذرات پودر اتمی آلیاژ والدین برای آسیاب توپ با انرژی بالا ، با استفاده از توپ آسیاب توپ φ 6 و φ 10 توپ های فولادی سخت مخلوط ، با جو آسیاب توپ 99.99 ٪ گاز آرگون ، نسبت جرم مواد توپ از (8-10): 1 ، زمان فرز از 40-70 ساعت و سرعت چرخشی 350-500 حداقل 350-500 دقیقه.

3） برای تهیه مواد محافظت از تابش نوترون استفاده می شود

① اصل محافظت از تابش نوترون

نوترون ها اجزای هسته اتمی هستند ، با جرم استاتیک 10-27 کیلوگرم 1.675 ، که 1838 برابر جرم الکترونیکی است. شعاع آن تقریباً 10-15 متر 0.8 است ، از نظر اندازه مشابه با پروتون ، مشابه پرتوهای γ به همان اندازه غیرقابل شارژ است. هنگامی که نوترون ها با ماده در تعامل هستند ، آنها عمدتاً با نیروهای هسته ای داخل هسته تعامل دارند و با الکترونهای موجود در پوسته بیرونی تعامل ندارند.

با توسعه سریع انرژی هسته ای و فناوری راکتور هسته ای ، توجه بیشتر و بیشتر به ایمنی تابش هسته ای و محافظت از تابش هسته ای شده است. به منظور تقویت حفاظت از تابش برای اپراتورهایی که برای مدت طولانی در زمینه نگهداری تجهیزات تابش و نجات تصادف مشغول کار بوده اند ، از اهمیت علمی و ارزش اقتصادی زیادی برای توسعه کامپوزیت های محافظ سبک برای پوشاک محافظ برخوردار است. تابش نوترون مهمترین بخش تابش راکتور هسته ای است. به طور کلی ، بیشتر نوترون ها در تماس مستقیم با انسان پس از اثر محافظ نوترون مواد ساختاری در داخل راکتور هسته ای به نوترون های کم انرژی کاهش یافته اند. نوترون های کم انرژی با هسته ها با تعداد اتمی پایین تر به صورت الاستیک برخورد می کنند و همچنان تعدیل می شوند. نوترون های حرارتی تعدیل شده توسط عناصری با مقطع جذب نوترون بزرگتر جذب می شوند و در نهایت محافظ نوترون حاصل می شود.

study مطالعه حق ثبت اختراع

خصوصیات ترکیبی متخلخل و ارگانیک ازعنصر زمین نادرگودولینمواد اسکلت ارگانیک فلزی مبتنی بر سازگاری آنها با پلی اتیلن افزایش می یابد و مواد کامپوزیت سنتز شده را ترویج می کند تا محتوای گادولینیوم بالاتر و پراکندگی گادولینیوم داشته باشد. محتوای زیاد گادولینیوم و پراکندگی مستقیماً بر عملکرد محافظ نوترون مواد کامپوزیت تأثیر می گذارد.

ثبت اختراع کلیدی: انستیتوی علوم مواد Hefei ، آکادمی علوم چینی ، اختراع ثبت اختراع یک چارچوب ارگانیک مبتنی بر گادولینیوم مواد محافظ کامپوزیت و روش آماده سازی آن

انتزاع ثبت اختراع: ماده محافظ کامپوزیت اسکلت آلی مبتنی بر گادولینیوم یک ماده کامپوزیت است که توسط مخلوط کردن تشکیل شده استگودولینمواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر پلی اتیلن در نسبت وزن 2: 1: 10 و تشکیل آن از طریق تبخیر حلال یا فشار گرم. گادولینیوم مبتنی بر فلز اسكلت آلی اسكلتیكس دارای پایداری حرارتی بالا و توانایی محافظت از نوترون حرارتی است.

فرآیند تولید: انتخاب متفاوتفلز گودولینیومنمک ها و لیگاند های آلی برای تهیه و سنتز انواع مختلفی از مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم ، شستشوی آنها با مولکول های کوچک متانول ، اتانول یا آب با سانتریفیوژ ، و فعال کردن آنها در دمای بالا در شرایط خلاء برای حذف کامل مواد اولیه غیرقانونی در منافذ مواد اسکلت فلزی ارگانیک مبتنی بر گادولینیوم ؛ مواد اسکلت ارگانیک مبتنی بر گادولینیوم که در مرحله تهیه شده است با لوسیون پلی اتیلن با سرعت بالا و یا اولتراسونیک ، یا ماده اسکلت ارگانیک مبتنی بر گادولینیوم تهیه شده در مرحله ، ذوب شده با پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا در دمای بالا مخلوط می شود تا کاملاً مخلوط شود. مواد اسکلت ارگانیک فلزی مبتنی بر گادولینیوم را به طور یکنواخت مخلوط/مخلوط پلی اتیلن را در قالب قرار دهید و مواد محافظ ترکیبی اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم تشکیل شده را با خشک کردن برای ترویج تبخیر حلال یا فشار داغ بدست آورید. ماده محافظ کامپوزیت اسکلت آلی مبتنی بر گادولینیوم ، مقاومت در برابر حرارت ، خصوصیات مکانیکی و توانایی محافظت از نوترون حرارتی برتر در مقایسه با مواد پلی اتیلن خالص به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

حالت اضافه زمین نادر: GD2 (BHC) (H2O) 6 ، GD (BTC) (H2O) 4 یا GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 پلیمر هماهنگی کریستالی متخلخل حاوی گادولینیوم ، که با هماهنگی پلیمریزاسیون به دست می آیدGD (NO3) 3 • 6H2O یا GDCL3 • 6H2Oو لیگاند کربوکسیلات ارگانیک ؛ اندازه مواد اسکلت ارگانیک فلزی مبتنی بر گادولینیوم 50 نانومتری-2 میکرومتر از مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم است که دارای مورفولوژی متفاوتی از جمله گرانول ، میله شکل یا شکل سوزن هستند.

（4） استفاده ازرسواییدر رادیشیمی و صنعت هسته ای

فلز اسکاندیوم از پایداری حرارتی خوبی برخوردار است و عملکرد قوی جذب فلورین را دارد و آن را به یک ماده ضروری در صنعت انرژی اتمی تبدیل می کند.

حق ثبت اختراع کلیدی: توسعه هوافضا چین پکن مواد هوایی ، اختراع اختراع برای آلیاژ اسکاندیوم روی آلومینیومی و روش آماده سازی آن

ثبت اختراع چکیده: روی آلومینیومیآلیاژ اسکاندیم منیزیمو روش آماده سازی آن ترکیب شیمیایی و درصد وزن آلیاژ اسکاندیوم روی آلومینیوم عبارتند از: میلی گرم 1.0 ٪ -2.4 ٪ ، روی 3.5 ٪ -5.5 ٪ ، SC 0.04 ٪ -0.50 ٪ ، Zr 0.04 ٪ -0.35 ٪ ، ناخالصی های Cu ≤ 0.2 ٪ ، Si ≤ 0.35 ٪ ≤ 0.05 ٪ ، Fe ≤ 0.4 ٪ ، Fe ≤4 ٪ ، Fe ≤4 ٪ ، Fe ≤4 ٪ ، Fe ≤4. 0.15 ٪ و مقدار باقی مانده آل است. ریزساختار این ماده آلیاژ اسکاندیوم روی آلومینیوم روی یکنواخت است و عملکرد آن پایدار است ، با استحکام کششی نهایی بیش از 400mpa ، قدرت عملکرد بیش از 350mpa و مقاومت کششی بیش از 370 مگاپاسکال برای اتصالات جوش خورده. از محصولات مادی می توان به عنوان عناصر ساختاری در هوافضا ، صنعت هسته ای ، حمل و نقل ، کالاهای ورزشی ، سلاح و سایر زمینه ها استفاده کرد.

فرآیند تولید: مرحله 1 ، ماده با توجه به ترکیب آلیاژ فوق. مرحله 2: ذوب در کوره ذوب شده در دمای 780 ℃ 78 ℃ ؛ مرحله 3: مایع فلزی کاملاً ذوب شده را اصلاح کرده و دمای فلز را در محدوده 750 ℃ ​​750 در حین پالایش حفظ کنید. مرحله چهارم: پس از پالایش ، باید کاملاً مجاز به ایستادن باشد. مرحله 5: پس از ایستادن به طور کامل ، ریخته گری را شروع کنید ، دمای کوره را در محدوده 730 ℃ 690 ℃ حفظ کنید و سرعت ریخته گری 15-200 میلی متر در دقیقه است. مرحله ششم: درمان بازپرداخت همگن سازی را بر روی شمش آلیاژ در کوره گرمایش ، با دمای همگن سازی 470 ℃ 400 ℃ انجام دهید. مرحله 7: شمش همگن را پوست بگیرید و اکستروژن داغ را انجام دهید تا پروفایل هایی با ضخامت دیواره بیش از 2.0 میلی متر تولید کنید. در طی فرآیند اکستروژن ، بیل باید در دمای 350 ℃ تا 410 maint حفظ شود. مرحله 8: پروفایل را برای درمان خاموش کننده محلول ، با دمای محلول 460-480 ℃ فشار دهید. مرحله 9: پس از 72 ساعت خاموش شدن محلول جامد ، پیری را به صورت دستی مجبور کنید. سیستم پیری نیروی دستی: 90 ~ 110 ℃/24 ساعت+170 ~ 180 ℃/5 ساعت ، یا 90 ~ 110 ℃/24 ساعت+145 ~ 155 ℃/10 ساعت.

5 、 خلاصه تحقیق

به طور کلی ، زمین های نادر به طور گسترده ای در همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای مورد استفاده قرار می گیرند و بسیاری از طرح های ثبت اختراع را در جهات فنی مانند تحریک اشعه ایکس ، تشکیل پلاسما ، راکتور آب سبک ، ترانسفرانیوم ، اورانیل و پودر اکسید دارند. در مورد مواد راکتور ، از زمین های نادر می توان به عنوان مواد ساختاری راکتور و مواد عایق سرامیکی مرتبط ، مواد کنترل و مواد محافظت از تابش نوترون استفاده کرد.