۱. تعریف مواد هسته‌ای
در معنای وسیع، مواد هسته‌ای اصطلاحی کلی برای موادی است که منحصراً در صنعت هسته‌ای و تحقیقات علمی هسته‌ای، از جمله سوخت هسته‌ای و مواد مهندسی هسته‌ای، یعنی مواد سوختی غیر هسته‌ای، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مواد هسته‌ای که معمولاً به آنها اشاره می‌شود، عمدتاً به موادی اطلاق می‌شود که در بخش‌های مختلف راکتور استفاده می‌شوند و به عنوان مواد راکتور نیز شناخته می‌شوند. مواد راکتور شامل سوخت هسته‌ای است که تحت بمباران نوترونی دچار شکافت هسته‌ای می‌شود، مواد روکش برای اجزای سوخت هسته‌ای، خنک‌کننده‌ها، تعدیل‌کننده‌های نوترون (تعدیل‌کننده‌ها)، مواد میله کنترل که نوترون‌ها را به شدت جذب می‌کنند و مواد بازتابنده که از نشت نوترون به خارج از راکتور جلوگیری می‌کنند.
۲. رابطه‌ی متقابل بین منابع خاکی کمیاب و منابع هسته‌ای
مونازیت که فسفوسریت و فسفوسیریت نیز نامیده می‌شود، یک کانی فرعی رایج در سنگ‌های آذرین اسیدی متوسط و سنگ‌های دگرگونی است. مونازیت یکی از کانی‌های اصلی سنگ معدن فلزات خاکی کمیاب است و همچنین در برخی از سنگ‌های رسوبی وجود دارد. قرمز مایل به قهوه‌ای، زرد، گاهی زرد مایل به قهوه‌ای، با جلای چرب، رخ کامل، سختی موس ۵-۵.۵ و وزن مخصوص ۴.۹-۵.۵.
کانی اصلی برخی از ذخایر عناصر خاکی کمیاب پلاسری در چین، مونازیت است که عمدتاً در تونگچنگ، هوبئی، یوئیانگ، هونان، شانگرائو، جیانگشی، منگای، یوننان و شهرستان هه، گوانگشی واقع شده است. با این حال، استخراج منابع عناصر خاکی کمیاب پلاسری اغلب اهمیت اقتصادی ندارد. سنگ‌های منفرد اغلب حاوی عناصر توریم بازتابی هستند و همچنین منبع اصلی پلوتونیوم تجاری هستند.
۳، مروری بر کاربرد عناصر خاکی کمیاب در همجوشی و شکافت هسته‌ای بر اساس تحلیل پانورامای ثبت اختراع
پس از اینکه کلمات کلیدی جستجوی عناصر نادر خاکی به طور کامل گسترش یافتند، با کلیدهای گسترش و شماره‌های طبقه‌بندی شکافت هسته‌ای و همجوشی هسته‌ای ترکیب شده و در پایگاه داده Incopt جستجو می‌شوند. تاریخ جستجو ۲۴ آگوست ۲۰۲۰ است. ۴۸۳۷ اختراع ثبت شده پس از ادغام ساده خانواده به دست آمد و ۴۶۷۳ اختراع ثبت شده پس از کاهش نویز مصنوعی تعیین شدند.
درخواست‌های ثبت اختراع عناصر خاکی کمیاب در حوزه شکافت هسته‌ای یا همجوشی هسته‌ای در ۵۶ کشور/منطقه توزیع شده است که عمدتاً در ژاپن، چین، ایالات متحده، آلمان و روسیه و غیره متمرکز شده‌اند. تعداد قابل توجهی از اختراعات در قالب PCT اعمال می‌شوند که از این تعداد، درخواست‌های ثبت اختراع فناوری چین، به ویژه از سال ۲۰۰۹، با ورود به مرحله رشد سریع، رو به افزایش بوده است و ژاپن، ایالات متحده و روسیه سال‌هاست که به طرح‌ریزی در این زمینه ادامه داده‌اند (شکل ۱).
شکل 1 روند کاربرد اختراعات فناوری مربوط به کاربرد عناصر خاکی کمیاب در شکافت هسته‌ای و همجوشی هسته‌ای در کشورها/مناطق
از تحلیل مباحث فنی می‌توان دریافت که کاربرد عناصر خاکی کمیاب در همجوشی و شکافت هسته‌ای بر عناصر سوخت، سوسوزن‌ها، آشکارسازهای تابش، اکتینیدها، پلاسماها، راکتورهای هسته‌ای، مواد محافظ، جذب نوترون و سایر جهات فنی متمرکز است.
۴، کاربردهای خاص و تحقیقات کلیدی ثبت اختراع عناصر خاکی کمیاب در مواد هسته‌ای
در میان آنها، واکنش‌های همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای در مواد هسته‌ای شدید هستند و الزامات مربوط به مواد سختگیرانه است. در حال حاضر، راکتورهای قدرت عمدتاً راکتورهای شکافت هسته‌ای هستند و راکتورهای همجوشی ممکن است پس از 50 سال در مقیاس وسیع رواج پیدا کنند. کاربردخاک کمیابعناصر در مواد ساختاری راکتور؛ در زمینه‌های خاص شیمیایی هسته‌ای، عناصر خاکی کمیاب عمدتاً در میله‌های کنترل استفاده می‌شوند؛ علاوه بر این،اسکاندیمهمچنین در رادیوشیمی و صنعت هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفته است.
(1) به عنوان سم قابل احتراق یا میله کنترل برای تنظیم سطح نوترون و حالت بحرانی راکتور هسته ای
در راکتورهای قدرت، واکنش‌پذیری باقیمانده اولیه هسته‌های جدید عموماً نسبتاً زیاد است. به خصوص در مراحل اولیه اولین چرخه سوخت‌گیری مجدد، زمانی که تمام سوخت هسته‌ای در هسته جدید است، واکنش‌پذیری باقیمانده بالاترین مقدار را دارد. در این مرحله، تکیه صرف بر افزایش میله‌های کنترل برای جبران واکنش‌پذیری باقیمانده، میله‌های کنترل بیشتری را معرفی می‌کند. هر میله کنترل (یا دسته میله) معادل معرفی یک مکانیسم محرک پیچیده است. از یک طرف، این امر هزینه‌ها را افزایش می‌دهد و از طرف دیگر، باز شدن سوراخ‌ها در سر مخزن فشار می‌تواند منجر به کاهش استحکام ساختاری شود. این کار نه تنها غیراقتصادی است، بلکه مجاز به داشتن مقدار مشخصی تخلخل و استحکام ساختاری در سر مخزن فشار نیز نیست. با این حال، بدون افزایش میله‌های کنترل، لازم است غلظت سموم جبران‌کننده شیمیایی (مانند اسید بوریک) برای جبران واکنش‌پذیری باقیمانده افزایش یابد. در این حالت، غلظت بور به راحتی از آستانه تجاوز می‌کند و ضریب دمایی تعدیل‌کننده مثبت می‌شود.
برای جلوگیری از مشکلات ذکر شده، عموماً می‌توان از ترکیبی از سموم قابل احتراق، میله‌های کنترل و کنترل جبران شیمیایی برای کنترل استفاده کرد.
(2) به عنوان یک ماده افزودنی برای افزایش عملکرد مواد ساختاری راکتور
راکتورها به اجزای ساختاری و عناصر سوختی نیاز دارند که سطح مشخصی از استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی بالا داشته باشند، ضمن اینکه از ورود محصولات شکافت به مایع خنک‌کننده نیز جلوگیری کنند.
۱) فولاد خاکی کمیاب
راکتور هسته‌ای شرایط فیزیکی و شیمیایی بسیار سختی دارد و هر جزء راکتور نیز الزامات بالایی برای فولاد ویژه مورد استفاده دارد. عناصر خاکی کمیاب اثرات اصلاحی ویژه‌ای بر فولاد دارند، که عمدتاً شامل خالص‌سازی، دگرگونی، میکروآلیاژسازی و بهبود مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. فولادهای حاوی عناصر خاکی کمیاب نیز به طور گسترده در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.
① اثر خالص‌سازی: تحقیقات موجود نشان داده است که عناصر خاکی کمیاب در دماهای بالا اثر خالص‌سازی خوبی بر فولاد مذاب دارند. این به این دلیل است که عناصر خاکی کمیاب می‌توانند با عناصر مضر مانند اکسیژن و گوگرد در فولاد مذاب واکنش داده و ترکیبات با دمای بالا تولید کنند. ترکیبات با دمای بالا می‌توانند قبل از متراکم شدن فولاد مذاب، به شکل آخال رسوب کرده و تخلیه شوند و در نتیجه میزان ناخالصی در فولاد مذاب کاهش یابد.
② دگرگونی: از سوی دیگر، اکسیدها، سولفیدها یا اکسی سولفیدهای تولید شده در اثر واکنش عناصر خاکی کمیاب در فولاد مذاب با عناصر مضر مانند اکسیژن و گوگرد، می‌توانند تا حدی در فولاد مذاب باقی بمانند و به آخال‌های فولاد با نقطه ذوب بالا تبدیل شوند. این آخال‌ها می‌توانند به عنوان مراکز هسته‌زایی ناهمگن در طول انجماد فولاد مذاب مورد استفاده قرار گیرند و در نتیجه شکل و ساختار فولاد را بهبود بخشند.
③ میکروآلیاژسازی: اگر افزودن خاک کمیاب بیشتر افزایش یابد، خاک کمیاب باقی مانده پس از تکمیل خالص‌سازی و دگرگونی فوق در فولاد حل می‌شود. از آنجایی که شعاع اتمی خاک کمیاب بزرگتر از اتم آهن است، خاک کمیاب فعالیت سطحی بالاتری دارد. در طول فرآیند انجماد فولاد مذاب، عناصر خاکی کمیاب در مرز دانه غنی می‌شوند که می‌تواند جداسازی عناصر ناخالصی در مرز دانه را بهتر کاهش دهد، در نتیجه محلول جامد را تقویت کرده و نقش میکروآلیاژسازی را ایفا می‌کند. از سوی دیگر، به دلیل ویژگی‌های ذخیره‌سازی هیدروژن خاک‌های کمیاب، آنها می‌توانند هیدروژن را در فولاد جذب کنند و در نتیجه پدیده تردی هیدروژنی فولاد را به طور مؤثر بهبود بخشند.
④ بهبود مقاومت در برابر خوردگی: افزودن عناصر خاکی کمیاب همچنین می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی فولاد را بهبود بخشد. این به این دلیل است که عناصر خاکی کمیاب پتانسیل خود خوردگی بالاتری نسبت به فولاد ضد زنگ دارند. بنابراین، افزودن عناصر خاکی کمیاب می‌تواند پتانسیل خود خوردگی فولاد ضد زنگ را افزایش دهد و در نتیجه پایداری فولاد را در محیط‌های خورنده بهبود بخشد.
۲) مطالعه‌ی کلیدی ثبت اختراع
اختراع کلیدی: اختراع فولاد کم فعال تقویت شده با پراکندگی اکسید و روش تهیه آن توسط موسسه فلزات، آکادمی علوم چین
چکیده اختراع: فولاد کم‌فعال‌سازی تقویت‌شده با پراکندگی اکسیدی مناسب برای راکتورهای همجوشی و روش تهیه آن ارائه شده است که با درصد عناصر آلیاژی در کل جرم فولاد کم‌فعال‌سازی مشخص می‌شود: زمینه 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% و 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5% است.
فرآیند تولید: ذوب آلیاژ مادر Fe-Cr-WV-Ta-Mn، اتمیزه کردن پودر، آسیاب گلوله‌ای پرانرژی آلیاژ مادر ونانوذرات Y2O3پودر مخلوط، استخراج پوشش پودر، قالب‌گیری انجمادی، نورد گرم و عملیات حرارتی.
روش افزودن عناصر کمیاب: افزودن در مقیاس نانوY2O3ذرات به پودر اتمیزه شده آلیاژ اصلی برای آسیاب گلوله‌ای پرانرژی، با محیط آسیاب گلوله‌ای که گلوله‌های فولادی سخت مخلوط Φ 6 و Φ 10 است، با اتمسفر آسیاب گلوله‌ای 99.99٪ گاز آرگون، نسبت جرمی مواد گلوله‌ای (8-10): 1، زمان آسیاب گلوله‌ای 40-70 ساعت و سرعت چرخش 350-500 دور در دقیقه.
۳) برای ساخت مواد محافظ در برابر تابش نوترون استفاده می‌شود.
۱. اصل حفاظت در برابر تابش نوترون
نوترون‌ها اجزای هسته‌های اتمی هستند که جرم استاتیک آنها 1.675 × 10-27 کیلوگرم است که 1838 برابر جرم الکترونی است. شعاع آن تقریباً 0.8 × 10-15 متر است که از نظر اندازه مشابه پروتون و مشابه پرتوهای گاما است. نوترون‌ها به همان اندازه بدون بار هستند. هنگامی که نوترون‌ها با ماده برهمکنش می‌کنند، عمدتاً با نیروهای هسته‌ای درون هسته برهمکنش می‌کنند و با الکترون‌های پوسته بیرونی برهمکنش ندارند.
با توسعه سریع انرژی هسته‌ای و فناوری راکتور هسته‌ای، توجه بیشتری به ایمنی در برابر تشعشعات هسته‌ای و حفاظت در برابر تشعشعات هسته‌ای معطوف شده است. به منظور تقویت حفاظت در برابر تشعشعات برای اپراتورهایی که مدت‌هاست در زمینه نگهداری تجهیزات تشعشعات و نجات افراد در حوادث مشغول بوده‌اند، توسعه کامپوزیت‌های محافظ سبک برای لباس‌های محافظ از اهمیت علمی و اقتصادی بالایی برخوردار است. تابش نوترونی مهمترین بخش تابش راکتور هسته‌ای است. به طور کلی، بیشتر نوترون‌هایی که در تماس مستقیم با انسان هستند، پس از اثر محافظت نوترونی مواد ساختاری داخل راکتور هسته‌ای، به نوترون‌های کم‌انرژی تبدیل می‌شوند. نوترون‌های کم‌انرژی به صورت الاستیک با هسته‌هایی با عدد اتمی پایین‌تر برخورد می‌کنند و همچنان تعدیل می‌شوند. نوترون‌های حرارتی تعدیل‌شده توسط عناصری با سطح مقطع جذب نوترون بزرگتر جذب می‌شوند و در نهایت محافظت نوترونی حاصل می‌شود.
② مطالعه کلیدی ثبت اختراع
خواص متخلخل و هیبرید آلی-معدنیعنصر خاکی کمیابگادولینیممواد اسکلت آلی فلزی بر پایه پلی‌اتیلن، سازگاری خود را با پلی‌اتیلن افزایش می‌دهند و باعث می‌شوند مواد کامپوزیتی سنتز شده، محتوای گادولینیوم و پراکندگی گادولینیوم بالاتری داشته باشند. محتوای گادولینیوم بالا و پراکندگی آن مستقیماً بر عملکرد محافظت نوترونی مواد کامپوزیتی تأثیر می‌گذارد.
اختراع کلیدی: موسسه علوم مواد هفی، آکادمی علوم چین، اختراع ثبت شده یک ماده محافظ کامپوزیتی چارچوب آلی مبتنی بر گادولینیوم و روش تهیه آن
چکیده اختراع: ماده محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم، ماده‌ای کامپوزیتی است که با مخلوط کردن تشکیل می‌شود.گادولینیممواد محافظ کامپوزیتی اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم با پلی‌اتیلن با نسبت وزنی 2:1:10 و تشکیل آن از طریق تبخیر حلال یا پرس گرم. مواد محافظ کامپوزیتی اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم از پایداری حرارتی بالا و قابلیت محافظت نوترون حرارتی برخوردارند.
فرآیند تولید: انتخاب انواع مختلففلز گادولینیومنمک‌ها و لیگاندهای آلی برای تهیه و سنتز انواع مختلف مواد اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم، شستشوی آنها با مولکول‌های کوچک متانول، اتانول یا آب با سانتریفیوژ و فعال‌سازی آنها در دمای بالا تحت شرایط خلاء برای حذف کامل مواد اولیه واکنش نداده باقیمانده در منافذ مواد اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم؛ ماده اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم که به صورت مرحله‌ای تهیه شده است، با لوسیون پلی‌اتیلن با سرعت بالا یا به صورت اولتراسونیک هم زده می‌شود، یا ماده اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم که به صورت مرحله‌ای تهیه شده است، با پلی‌اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده بالا در دمای بالا به صورت مذاب مخلوط می‌شود تا کاملاً مخلوط شود؛ مخلوط یکنواخت ماده اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم/پلی‌اتیلن را در قالب قرار دهید و با خشک کردن برای افزایش تبخیر حلال یا پرس گرم، ماده محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم تشکیل شده را به دست آورید. ماده محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی بر پایه گادولینیوم تهیه شده، مقاومت حرارتی، خواص مکانیکی و توانایی محافظ نوترون حرارتی برتر را در مقایسه با مواد پلی‌اتیلن خالص به طور قابل توجهی بهبود بخشیده است.
حالت افزایشی عناصر خاکی کمیاب: پلیمر هماهنگی کریستالی متخلخل Gd2 (BHC) (H2O) 6، Gd (BTC) (H2O) 4 یا Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 حاوی گادولینیوم، که با پلیمریزاسیون هماهنگی به دست می‌آیدگادولینیم (NO3) 3 • 6H2O یا گادولینیم کلرید (GdCl3) • 6H2Oو لیگاند کربوکسیلات آلی؛ اندازه مواد اسکلت فلزی آلی مبتنی بر گادولینیوم 50 نانومتر تا 2 میکرومتر است؛ مواد اسکلت فلزی آلی مبتنی بر گادولینیوم مورفولوژی‌های مختلفی از جمله دانه‌ای، میله‌ای یا سوزنی شکل دارند.
(4) کاربرداسکاندیمدر رادیوشیمی و صنعت هسته‌ای
فلز اسکاندیم از پایداری حرارتی خوبی برخوردار است و عملکرد جذب فلوئور قوی دارد و آن را به یک ماده ضروری در صنعت انرژی اتمی تبدیل می‌کند.
اختراع کلیدی: موسسه توسعه هوافضای چین در پکن، اختراع ثبت شده برای آلیاژ اسکاندیم منیزیم روی آلومینیوم و روش تهیه آن
چکیده اختراع: آلومینیوم رویآلیاژ اسکاندیم منیزیمو روش تهیه آن. ترکیب شیمیایی و درصد وزنی آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم روی منیزیم عبارتند از: Mg 1.0% -2.4%، Zn 3.5% -5.5%، Sc 0.04% -0.50%، Zr 0.04% -0.35%، ناخالصی‌های Cu ≤ 0.2%، Si ≤ 0.35%، Fe ≤ 0.4%، سایر ناخالصی‌ها تکی ≤ 0.05%، سایر ناخالصی‌ها مجموع ≤ 0.15% و مقدار باقیمانده Al است. ریزساختار این آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم روی منیزیم یکنواخت و عملکرد آن پایدار است، با استحکام کششی نهایی بیش از 400MPa، استحکام تسلیم بیش از 350MPa و استحکام کششی بیش از 370MPa برای اتصالات جوش داده شده. محصولات این ماده می‌توانند به عنوان عناصر ساختاری در هوافضا، صنایع هسته‌ای، حمل و نقل، کالاهای ورزشی، سلاح‌ها و سایر زمینه‌ها استفاده شوند.
فرآیند تولید: مرحله ۱، مواد تشکیل دهنده مطابق با ترکیب آلیاژ فوق؛ مرحله ۲: ذوب در کوره ذوب در دمای ۷۰۰ تا ۷۸۰ درجه سانتیگراد؛ مرحله ۳: تصفیه مایع فلز کاملاً ذوب شده و حفظ دمای فلز در محدوده ۷۰۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد در حین تصفیه؛ مرحله ۴: پس از تصفیه، باید کاملاً ثابت بماند؛ مرحله ۵: پس از ایستادن کامل، ریخته‌گری را شروع کنید، دمای کوره را در محدوده ۶۹۰ تا ۷۳۰ درجه سانتیگراد حفظ کنید و سرعت ریخته‌گری ۱۵ تا ۲۰۰ میلی‌متر در دقیقه باشد؛ مرحله ۶: عملیات همگن‌سازی آنیل روی شمش آلیاژ در کوره گرمایشی، با دمای همگن‌سازی ۴۰۰ تا ۴۷۰ درجه سانتیگراد انجام دهید؛ مرحله ۷: شمش همگن شده را جدا کرده و اکستروژن گرم انجام دهید تا پروفیل‌هایی با ضخامت دیواره بیش از ۲ میلی‌متر تولید شود. در طول فرآیند اکستروژن، بیلت باید در دمای ۳۵۰ تا ۴۱۰ درجه سانتیگراد نگهداری شود؛ مرحله ۸: پروفیل را برای عملیات کوئنچ محلولی، با دمای محلول ۴۶۰-۴۸۰ درجه سانتیگراد، فشار دهید؛ مرحله ۹: پس از ۷۲ ساعت کوئنچ محلول جامد، به صورت دستی پیرسازی اجباری انجام دهید. سیستم پیرسازی اجباری دستی به صورت زیر است: ۹۰~۱۱۰ درجه سانتیگراد / ۲۴ ساعت + ۱۷۰~۱۸۰ درجه سانتیگراد / ۵ ساعت، یا ۹۰~۱۱۰ درجه سانتیگراد / ۲۴ ساعت + ۱۴۵~۱۵۵ درجه سانتیگراد / ۱۰ ساعت.
۵، خلاصه تحقیق
در مجموع، عناصر خاکی کمیاب به طور گسترده در همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و طرح‌های ثبت اختراع زیادی در زمینه‌های فنی مانند تحریک با اشعه ایکس، تشکیل پلاسما، راکتور آب سبک، ترانس اورانیوم، اورانیل و پودر اکسید دارند. در مورد مواد راکتور، عناصر خاکی کمیاب می‌توانند به عنوان مواد ساختاری راکتور و مواد عایق سرامیکی مرتبط، مواد کنترلی و مواد محافظت در برابر تابش نوترونی مورد استفاده قرار گیرند.
زمان ارسال: ۲۶ مه ۲۰۲۳