کاربرد عناصر کمیاب زمین در مواد هسته ای

1- تعریف مواد هسته ای

در مفهوم 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 سوخت غیر هسته ای استفاده می شود.

معمولاً به مواد هسته ای اشاره می شود که عمدتاً به مواد مورد استفاده در بخش های مختلف راکتور اشاره دارد که به عنوان مواد راکتور نیز شناخته می شود.مواد راکتور عبارتند از سوخت هسته ای که تحت بمباران نوترونی تحت شکافت هسته ای قرار می گیرد، مواد پوششی برای اجزای سوخت هسته ای، خنک کننده ها، تعدیل کننده های نوترون (تعدیل کننده ها)، مواد میله کنترلی که به شدت نوترون ها را جذب می کنند و مواد بازتابنده ای که از نشت نوترون در خارج از راکتور جلوگیری می کنند.

2- رابطه همبستگی بین منابع خاکی کمیاب و منابع هسته ای

مونازیت که فسفوسریت و فسفوسریت نیز نامیده می شود، یک کانی کمکی رایج در سنگ آذرین اسیدی و سنگ دگرگونی است.مونازیت یکی از کانی‌های اصلی سنگ فلزی خاکی کمیاب است و در برخی از سنگ‌های رسوبی نیز وجود دارد.قرمز مایل به قهوه ای، زرد، گاهی اوقات زرد مایل به قهوه ای، با درخشندگی چرب، برش کامل، سختی Mohs 5-5.5 و وزن مخصوص 4.9-5.5.

کانی اصلی برخی از ذخایر خاکی کمیاب نوع پلاسر در چین مونازیت است که عمدتاً در Tongcheng، Hubei، Yueyang، Hunan، Shangrao، Jiangxi، Menghai، Yunnan و He County، Guangxi واقع شده است.با این حال، استخراج منابع خاکی کمیاب نوع پلاسر اغلب اهمیت اقتصادی ندارد.سنگ های منفرد اغلب حاوی عناصر توریم انعکاسی هستند و همچنین منبع اصلی پلوتونیوم تجاری هستند.

3، مروری بر کاربرد خاک های کمیاب در همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای بر اساس آنالیز پانورامیک ثبت اختراع

پس از اینکه کلمات کلیدی عناصر جستجوی کمیاب به طور کامل گسترش یافتند، آنها با کلیدهای توسعه و شماره های طبقه بندی شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای ترکیب شده و در پایگاه داده Incopt جستجو می شوند.تاریخ جستجو 24 آگوست 2020 است. 4837 پتنت پس از ادغام خانواده ساده و 4673 پتنت پس از کاهش صدای مصنوعی تعیین شد.

درخواست های ثبت اختراع خاکی کمیاب در زمینه شکافت هسته ای یا همجوشی هسته ای در 56 کشور/منطقه توزیع شده است که عمدتاً در ژاپن، چین، ایالات متحده، آلمان و روسیه و غیره متمرکز شده است. تعداد قابل توجهی از پتنت ها در قالب PCT اعمال می شود. که کاربردهای فناوری ثبت اختراع چینی به ویژه از سال 2009 افزایش یافته و وارد مرحله رشد سریعی شده است و ژاپن، ایالات متحده و روسیه سال‌ها به طرح‌بندی در این زمینه ادامه داده‌اند (شکل 1).

شکل 1 روند کاربرد پتنت های فناوری مربوط به کاربرد خاک های کمیاب در شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای در کشورها/مناطق

از تجزیه و تحلیل مضامین فنی می توان دریافت که کاربرد خاک کمیاب در همجوشی هسته ای و شکافت هسته ای بر عناصر سوختی، سوسوزن ها، آشکارسازهای تشعشع، اکتینیدها، پلاسماها، راکتورهای هسته ای، مواد محافظ، جذب نوترون و سایر جهات فنی تمرکز دارد.

4، کاربردهای خاص و تحقیقات کلیدی ثبت اختراع عناصر کمیاب زمین در مواد هسته ای

در میان آنها، واکنش‌های همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای در مواد هسته‌ای شدید است و الزامات برای مواد سخت‌گیرانه است.در حال حاضر، راکتورهای قدرت عمدتاً راکتورهای شکافت هسته ای هستند و راکتورهای همجوشی ممکن است پس از 50 سال در مقیاس وسیعی رواج پیدا کنند.کاربرد اززمین کمیابعناصر موجود در مواد ساختاری راکتور؛در زمینه های شیمیایی هسته ای خاص، عناصر خاکی کمیاب عمدتاً در میله های کنترل استفاده می شوند.علاوه بر این،اسکاندیمهمچنین در رادیوشیمی و صنایع هسته ای استفاده شده است.

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

در راکتورهای قدرت، واکنش پذیری اولیه باقیمانده هسته های جدید به طور کلی نسبتاً بالا است.به خصوص در مراحل اولیه اولین چرخه سوخت‌گیری، زمانی که تمام سوخت هسته‌ای موجود در هسته جدید است، واکنش‌پذیری باقی‌مانده بالاترین میزان است.در این مرحله، صرفاً تکیه بر افزایش میله‌های کنترل برای جبران واکنش‌پذیری باقی‌مانده، میله‌های کنترل بیشتری را معرفی می‌کند.هر میله کنترل (یا دسته میله) مربوط به معرفی یک مکانیسم پیچیده رانندگی است.این امر از یک طرف باعث افزایش هزینه ها می شود و از طرف دیگر باز شدن سوراخ ها در سر مخزن تحت فشار می تواند منجر به کاهش مقاومت سازه شود.نه تنها صرفه اقتصادی ندارد، بلکه داشتن مقدار مشخصی از تخلخل و استحکام ساختاری روی سر مخزن تحت فشار نیز مجاز نیست.با این حال، بدون افزایش میله های کنترل، لازم است غلظت سموم جبران کننده شیمیایی (مانند اسید بوریک) افزایش یابد تا واکنش پذیری باقی مانده جبران شود.در این حالت، غلظت بور به راحتی از آستانه عبور می کند و ضریب دمایی تعدیل کننده مثبت می شود.

برای جلوگیری از مشکلات فوق، معمولاً می توان از ترکیبی از سموم قابل احتراق، میله های کنترل و کنترل جبران شیمیایی برای کنترل استفاده کرد.

(2) به عنوان یک ناخالص برای افزایش عملکرد مواد ساختاری راکتور

راکتورها به اجزای ساختاری و عناصر سوختی نیاز دارند که دارای سطح معینی از استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی بالا باشند و در عین حال از ورود محصولات شکافت به خنک‌کننده جلوگیری کنند.

1) فولاد خاکی کمیاب

راکتور هسته‌ای دارای شرایط فیزیکی و شیمیایی شدید است و هر یک از اجزای راکتور نیز نیازمندی‌های بالایی برای فولاد خاص مورد استفاده دارد.عناصر خاکی کمیاب اثرات اصلاحی ویژه ای روی فولاد دارند که عمدتاً شامل تصفیه، دگرگونی، میکروآلیاژسازی و بهبود مقاومت در برابر خوردگی می شود.فولادهای حاوی خاکی کمیاب نیز به طور گسترده در راکتورهای هسته ای استفاده می شوند.

① اثر خالص سازی: تحقیقات موجود نشان داده است که خاک های کمیاب اثر تصفیه خوبی روی فولاد مذاب در دماهای بالا دارند.این به این دلیل است که خاک‌های 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 را می توان قبل از متراکم شدن فولاد مذاب به شکل آخال ها رسوب داده و تخلیه کرد و در نتیجه محتوای ناخالصی در فولاد مذاب را کاهش داد.

② دگرگونی: از سوی دیگر، اکسیدها، سولفیدها یا اکسی سولفیدهای تولید شده در اثر واکنش خاک کمیاب در فولاد مذاب با عناصر مضر مانند اکسیژن و گوگرد می توانند تا حدی در فولاد مذاب باقی بمانند و به اجزای فولادی با نقطه ذوب بالا تبدیل شوند. .این آخال ها می توانند به عنوان مراکز هسته زایی ناهمگن در هنگام انجماد فولاد مذاب مورد استفاده قرار گیرند، بنابراین شکل و ساختار فولاد را بهبود می بخشند.

③ میکروآلیاژ: اگر اضافه کردن خاک کمیاب بیشتر شود، خاک کمیاب باقیمانده پس از خالص سازی و دگرگونی فوق در فولاد حل می شود.از آنجایی که شعاع اتمی خاک کمیاب بزرگتر از اتم آهن است، خاک کمیاب فعالیت سطحی بالاتری دارد.در طی فرآیند انجماد فولاد مذاب، عناصر خاکی کمیاب در مرز دانه غنی می شوند که می تواند جداسازی عناصر ناخالص را در مرز دانه بهتر کاهش دهد، بنابراین محلول جامد را تقویت کرده و نقش میکروآلیاژی را ایفا می کند.از سوی دیگر، با توجه به ویژگی های ذخیره هیدروژن خاک های کمیاب، آنها می توانند هیدروژن موجود در فولاد را جذب کنند و در نتیجه به طور موثر پدیده تردی هیدروژنی فولاد را بهبود می بخشند.

④ بهبود مقاومت در برابر خوردگی: افزودن عناصر خاکی کمیاب همچنین می تواند مقاومت به خوردگی فولاد را بهبود بخشد.این به این دلیل است که خاک های کمیاب پتانسیل خود خوردگی بالاتری نسبت به فولاد ضد زنگ دارند.بنابراین، افزودن خاک های کمیاب می تواند پتانسیل خود خوردگی فولاد ضد زنگ را افزایش دهد و در نتیجه پایداری فولاد را در محیط های خورنده بهبود بخشد.

2).مطالعه ثبت اختراع کلیدی

حق ثبت اختراع کلیدی: ثبت اختراع فولاد با پراکندگی اکسید تقویت شده با کم فعال سازی و روش تهیه آن توسط موسسه فلزات، آکادمی علوم چین

چکیده اختراع: ارائه شده است فولاد کم فعال تقویت شده با پراکندگی اکسید مناسب برای راکتورهای همجوشی و روش تهیه آن، که مشخصه آن این است که درصد عناصر آلیاژی در جرم کل فولاد کم فعال: ماتریس آهن است، 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 ≤ ≤ 0.2٪، 0.1 ≤ ≤ 0.0٪ و 0.1 ≤ ≤ 0.0 Mn ≤ 0.5٪ .

فرآیند ساخت: ذوب آلیاژ مادر Fe-Cr-WV-Ta-Mn، اتمیزه کردن پودر، آسیاب توپی با انرژی بالا آلیاژ مادر ونانوذرات Y2O3پودر مخلوط، استخراج پوششی پودر، قالب گیری انجماد، نورد گرم و عملیات حرارتی.

روش افزودن خاک کمیاب: مقیاس نانو را اضافه کنیدY2O3ذرات به آلیاژ اصلی پودر اتمیزه شده برای آسیاب گلوله ای با انرژی بالا، با محیط آسیاب گلوله ای، توپ های فولادی سخت مخلوط Φ 6 و Φ 10، با اتمسفر آسیاب گلوله ای از گاز آرگون 99.99 درصد، نسبت جرم مواد گلوله ای (8- 10): 1، زمان آسیاب توپ 40-70 ساعت و سرعت چرخش 350-500 دور در دقیقه.

3) برای ساخت مواد محافظ در برابر تشعشعات نوترونی استفاده می شود

① اصل حفاظت در برابر تشعشعات نوترونی

نوترون‌ها اجزای هسته‌های اتمی با جرم ساکن 10-27 × 675/1 کیلوگرم هستند که 1838 برابر جرم الکترونیکی است.شعاع آن تقریباً 0.8 × 10-15 متر است، از نظر اندازه شبیه به یک پروتون، شبیه به γ پرتوها به همان اندازه بدون بار هستند.هنگامی که نوترون ها با ماده برهمکنش می کنند، عمدتاً با نیروهای هسته ای درون هسته برهمکنش می کنند و با الکترون های لایه بیرونی برهمکنش نمی کنند.

با توسعه سریع انرژی هسته ای و فناوری راکتورهای هسته ای، توجه بیشتر و بیشتر به ایمنی پرتوهای هسته ای و حفاظت در برابر تشعشعات هسته ای شده است.به منظور تقویت حفاظت در برابر تشعشعات برای اپراتورهایی که برای مدت طولانی در تعمیر و نگهداری تجهیزات پرتو و نجات حوادث مشغول بوده اند، توسعه کامپوزیت های محافظ سبک وزن برای لباس های محافظ از اهمیت علمی و ارزش اقتصادی بالایی برخوردار است.تابش نوترونی مهمترین بخش تشعشعات راکتور هسته ای است.به طور کلی، بیشتر نوترون‌هایی که در تماس مستقیم با انسان‌ها هستند، پس از اثر محافظ نوترونی مواد ساختاری درون راکتور هسته‌ای، به نوترون‌های کم انرژی کاهش یافته‌اند.نوترون های کم انرژی به طور کشسانی با هسته هایی با عدد اتمی کمتر برخورد می کنند و به تعدیل ادامه می دهند.نوترون های حرارتی تعدیل شده توسط عناصری با سطح مقطع جذب نوترون بزرگتر جذب می شوند و در نهایت محافظ نوترونی حاصل می شود.

② مطالعه ثبت اختراع کلیدی

خواص هیبرید متخلخل و آلی- معدنیعنصر خاکی کمیابگادولینیممواد اسکلت آلی فلزی بر اساس سازگاری خود را با پلی اتیلن افزایش می دهند و مواد کامپوزیتی سنتز شده را به داشتن محتوای گادولینیوم و پراکندگی گادولینیوم بالاتر ارتقا می دهند.محتوای گادولینیوم و پراکندگی بالا به طور مستقیم بر عملکرد محافظ نوترونی مواد کامپوزیت تأثیر می گذارد.

حق ثبت اختراع کلیدی: موسسه علوم مواد هفی، آکادمی علوم چین، ثبت اختراع یک ماده محافظ کامپوزیتی چارچوب آلی مبتنی بر گادولینیوم و روش تهیه آن

چکیده اختراع: مواد محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم یک ماده کامپوزیتی است که از اختلاط تشکیل می شود.گادولینیممواد اسکلت آلی فلزی با پلی اتیلن به نسبت وزنی 2:1:10 و تشکیل آن از طریق تبخیر حلال یا پرس گرم.مواد محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم دارای پایداری حرارتی بالا و توانایی محافظ نوترون حرارتی هستند.

فرآیند تولید: انتخاب متفاوتفلز گادولینیومنمک ها و لیگاندهای آلی برای تهیه و سنتز انواع مختلف مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم، شستن آنها با مولکول های کوچک متانول، اتانول یا آب توسط سانتریفیوژ، و فعال کردن آنها در دمای بالا در شرایط خلاء برای حذف کامل مواد خام باقیمانده واکنش نداده. در منافذ مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم.مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم تهیه شده در مرحله با لوسیون پلی اتیلن با سرعت بالا یا اولتراسونیک هم زده می شود یا مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم تهیه شده در مرحله با پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا در دمای بالا مخلوط می شوند تا کاملا مخلوط شوند.مخلوط یکنواخت اسکلت فلزی آلی بر پایه گادولینیوم/مخلوط پلی اتیلن را در قالب قرار دهید و مواد محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم تشکیل شده را با خشک کردن برای ترویج تبخیر حلال یا فشار دادن داغ بدست آورید.مواد محافظ کامپوزیت اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم به طور قابل توجهی مقاومت حرارتی، خواص مکانیکی و توانایی محافظ نوترون حرارتی برتر را در مقایسه با مواد پلی اتیلن خالص بهبود بخشیده است.

حالت افزودن خاکی کمیاب: Gd2 (BHC) (H2O) 6، Gd (BTC) (H2O) 4 یا Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 پلیمر متخلخل کریستالی هماهنگی حاوی گادولینیوم، که از پلیمریزاسیون هماهنگی به دست می آید.Gd (NO3) 3 • 6H2O یا GdCl3 • 6H2Oو لیگاند کربوکسیلات آلی.اندازه مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم 50 نانومتر-2 میکرومتر است؛ مواد اسکلت آلی فلزی مبتنی بر گادولینیوم مورفولوژی های مختلفی دارند، از جمله اشکال دانه ای، میله ای یا سوزنی شکل.

(4) کاربرداسکاندیمدر رادیوشیمی و صنایع هسته ای

فلز اسکاندیم دارای پایداری حرارتی خوب و عملکرد جذب فلوئور قوی است که آن را به یک ماده ضروری در صنعت انرژی اتمی تبدیل می کند.

ثبت اختراع کلیدی: توسعه هوافضای چین موسسه مواد هوانوردی پکن، حق ثبت اختراع برای آلیاژ آلومینیوم روی منیزیم اسکاندیم و روش تهیه آن

چکیده اختراع: روی آلومینیومآلیاژ منیزیم اسکاندیمو روش تهیه آنترکیب شیمیایی و درصد وزنی آلیاژ آلومینیوم روی منیزیم اسکاندیم عبارتند از: Mg 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٪، Fe ≤ 0.4٪، سایر ناخالصی ها منفرد ≤ 0.05٪، سایر ناخالصی ها مجموعا ≤ 0.15٪ و مقدار باقیمانده Al است.ریزساختار این ماده آلیاژ اسکاندیم منیزیم روی آلومینیوم یکنواخت و عملکرد آن پایدار است، با استحکام کششی نهایی بیش از 400 مگاپاسکال، مقاومت تسلیم بیش از 350 مگاپاسکال و مقاومت کششی بیش از 370 مگاپاسکال برای اتصالات جوش داده شده.محصولات مادی را 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، مواد تشکیل دهنده با توجه به ترکیب آلیاژ بالا.مرحله 2: ذوب در کوره ذوب در دمای 700 ℃~780 ℃.مرحله 3: مایع فلزی کاملاً ذوب شده را تصفیه کنید و دمای فلز را در محدوده 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​در طول تصفیه حفظ کنید.مرحله 4: پس از تصفیه، باید کاملاً اجازه داده شود که ثابت بماند.مرحله 5: پس از ایستادن کامل، ریخته گری را شروع کنید، دمای کوره را در محدوده 690 ℃ ~ 730 ℃ حفظ کنید و سرعت ریخته گری 15-200 میلی متر در دقیقه است.مرحله 6: عملیات بازپخت همگن سازی را بر روی شمش آلیاژی در کوره حرارتی با دمای همگن سازی 400 ℃~470 ℃ انجام دهید.مرحله 7: شمش همگن را پوست کنده و اکستروژن گرم انجام دهید تا پروفیل هایی با ضخامت دیواره بیش از 2.0 میلی متر تولید کنید.در طول فرآیند اکستروژن، بیلت باید در دمای 350 ℃ تا 410 ℃ نگهداری شود.مرحله 8: پروفیل را برای درمان خاموش کردن محلول با دمای محلول 460-480 ℃ فشار دهید.مرحله 9: پس از 72 ساعت خاموش کردن محلول جامد، به صورت دستی پیری را 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، خاک‌های کمیاب به طور گسترده در همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای استفاده می‌شوند و دارای طرح‌بندی‌های ثبت اختراع زیادی در جهت‌های فنی مانند تحریک اشعه ایکس، تشکیل پلاسما، راکتور آب سبک، ترانس اورانیوم، اورانیل و پودر اکسید هستند.در مورد مواد راکتور، خاک‌های کمیاب می‌توانند به عنوان مواد ساختاری راکتور و مواد عایق سرامیکی مرتبط، مواد کنترلی و مواد محافظ در برابر تشعشعات نوترونی استفاده شوند.