Application d'éléments de terres rares dans les matières nucléaires

1 、 Définition des matières nucléaires

Dans un sens large, la matière nucléaire est le terme général pour les matériaux utilisés exclusivement dans l'industrie nucléaire et la recherche scientifique nucléaire, y compris les carburants nucléaires et les matériaux d'ingénierie nucléaire, c'est-à-dire des matériaux de combustible non nucléaire.

Les matériaux nucléaires communément mentionnés se réfèrent principalement aux matériaux utilisés dans diverses parties du réacteur, également appelés matériaux de réacteur. Les matériaux du réacteur comprennent le combustible nucléaire qui subit une fission nucléaire sous bombardement à neutrons, le revêtement des matériaux pour les composants de carburant nucléaire, les refroidisseurs de refroidissement, les modérateurs de neutrons (modérateurs), les matériaux de tige de contrôle qui absorbent fortement les neutrons et les matériaux réfléchissants qui empêchent les fuites de neutrons à l'extérieur du réacteur.

2 、 CO Relation associée entre les ressources rare et les ressources nucléaires

La monazite, également appelée phosphocérite et phosphocérite, est un minéral accessoire commun dans la roche ignée et l'acide intermédiaire et la roche métamorphique. La monazite est l'un des principaux minéraux du minerai de métal de terre rare et existe également dans une roche sédimentaire. Rouge brunâtre, jaune, parfois jaune brunâtre, avec un lustre gras, un clivage complet, une dureté Mohs de 5-5,5 et une gravité spécifique de 4,9-5,5.

Le minerai principal de certains dépôts de terres rares de type Placer en Chine est la monazite, principalement située à Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, et le comté, Guangxi. Cependant, l'extraction des ressources en terres rares de type placer n'a souvent pas d'importance économique. Les pierres solitaires contiennent souvent des éléments réflexives du thorium et sont également la principale source de plutonium commercial.

3 、 Aperçu de l'application des terres rares dans la fusion nucléaire et la fission nucléaire basée sur l'analyse panoramique des brevets

Une fois que les mots clés des éléments de recherche de terres rares sont entièrement élargis, ils sont combinés avec les clés d'extension et les numéros de classification de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire, et recherchés dans la base de données Incopt. La date de recherche est le 24 août 2020. 4837 Les brevets ont été obtenus après une fusion familiale simple et 4673 brevets ont été déterminés après une réduction du bruit artificiel.

Les demandes de brevet en terres rares dans le domaine de la fission nucléaire ou de la fusion nucléaire sont distribuées dans 56 pays / régions, principalement concentrées au Japon, en Chine, aux États-Unis, en Allemagne et en Russie, etc.

Figure 1 Tendance d'application des brevets technologiques liés à l'application des terres rares dans la fission nucléaire nucléaire et la fusion nucléaire dans les pays / régions

On peut voir à partir de l'analyse des thèmes techniques que l'application de terres rares dans la fusion nucléaire et la fission nucléaire se concentre sur les éléments de carburant, les scintillateurs, les détecteurs de rayonnement, les actides, les plasmas, les réacteurs nucléaires, les matériaux de blindage, l'absorption des neutrons et d'autres directions techniques.

4 、 Applications spécifiques et recherches clés en matière de brevets d'éléments de terres rares dans les matières nucléaires

Parmi eux, les réactions de fusion nucléaire et de fission nucléaire dans les matières nucléaires sont intenses et les exigences en matière de matériaux sont strictes. À l'heure actuelle, les réacteurs de puissance sont principalement des réacteurs à fission nucléaire et les réacteurs de fusion peuvent être popularisés à grande échelle après 50 ans. L'application deterres rareséléments des matériaux structurels du réacteur; Dans des champs chimiques nucléaires spécifiques, les éléments de terres rares sont principalement utilisés dans les tiges de contrôle; En outre,scandiuma également été utilisé dans la radiochimie et l'industrie nucléaire.

（1） en tant que tige de poison ou de commande combustible pour ajuster le niveau de neutrons et l'état critique du réacteur nucléaire

Dans les réacteurs de puissance, la réactivité résiduelle initiale des nouveaux noyaux est généralement relativement élevée. Surtout dans les premiers stades du premier cycle de ravitaillement, lorsque tout le carburant nucléaire dans le noyau est nouveau, la réactivité restante est la plus élevée. À ce stade, s'appuyer uniquement sur l'augmentation des tiges de contrôle pour compenser la réactivité résiduelle introduirait plus de tiges de contrôle. Chaque tige de commande (ou faisceau de tige) correspond à l'introduction d'un mécanisme de conduite complexe. D'une part, cela augmente les coûts et, d'autre part, l'ouverture des trous dans la tête du récipient de pression peut entraîner une diminution de la force structurelle. Non seulement il n'est pas rentable, mais il ne peut pas non plus avoir une certaine quantité de porosité et de résistance structurelle sur la tête du vaisseau sous pression. Cependant, sans augmenter les tiges de contrôle, il est nécessaire d'augmenter la concentration de toxines chimiques compensant (comme l'acide borique) pour compenser la réactivité restante. Dans ce cas, il est facile pour la concentration de bore de dépasser le seuil, et le coefficient de température du modérateur deviendra positif.

Pour éviter les problèmes susmentionnés, une combinaison de toxines combustibles, de tiges de commande et de contrôle de la compensation chimique peut généralement être utilisée pour le contrôle.

（2） en tant que dopant pour améliorer les performances des matériaux structurels du réacteur

Les réacteurs nécessitent des composants structurels et des éléments de carburant pour avoir un certain niveau de résistance, une résistance à la corrosion et une stabilité thermique élevée, tout en empêchant également les produits de fission d'entrer dans le liquide de refroidissement.

1).

Le réacteur nucléaire a des conditions physiques et chimiques extrêmes, et chaque composant du réacteur a également des exigences élevées pour l'acier spécial utilisé. Les éléments des terres rares ont des effets de modification spéciaux sur l'acier, comprenant principalement la purification, le métamorphisme, le microallification et l'amélioration de la résistance à la corrosion. Les aciers contenant des terres rares sont également largement utilisés dans les réacteurs nucléaires.

① Effet de purification: les recherches existantes ont montré que les terres rares ont un bon effet de purification sur l'acier fondu à des températures élevées. En effet, les terres rares peuvent réagir avec des éléments nocifs tels que l'oxygène et le soufre dans l'acier fondu pour générer des composés à haute température. Les composés à haute température peuvent être précipités et déchargés sous forme d'inclusions avant que l'acier fondu ne se condense, réduisant ainsi la teneur en impureté dans l'acier fondu.

② Métamorphisme: En revanche, les oxydes, sulfures ou oxysulfures générés par la réaction de terres rares dans l'acier fondu avec des éléments nocifs tels que l'oxygène et le soufre peuvent être partiellement conservés dans l'acier fondu et devenir des inclusions d'acier avec un point de fusion élevé. Ces inclusions peuvent être utilisées comme centres de nucléation hétérogènes lors de la solidification de l'acier fondu, améliorant ainsi la forme et la structure de l'acier.

③ Microalliage: Si l'ajout de terres rares est encore augmentée, la Terre rare restante sera dissoute dans l'acier une fois la purification et le métamorphisme ci-dessus. Étant donné que le rayon atomique de la Terre rare est plus grand que celui de l'atome de fer, la Terre rare a une activité de surface plus élevée. Pendant le processus de solidification de l'acier fondu, les éléments de terres rares sont enrichis à la limite des grains, ce qui peut mieux réduire la ségrégation des éléments d'impureté à la limite des grains, renforçant ainsi la solution solide et jouant le rôle du microallication. D'un autre côté, en raison des caractéristiques de stockage de l'hydrogène des terres rares, ils peuvent absorber l'hydrogène dans l'acier, améliorant ainsi efficacement le phénomène de fracasses de l'hydrogène de l'acier.

④ Amélioration de la résistance à la corrosion: l'ajout d'éléments de terres rares peut également améliorer la résistance à la corrosion de l'acier. En effet, les terres rares ont un potentiel d'auto-corrosion plus élevé que l'acier inoxydable. Par conséquent, l'ajout de terres rares peut augmenter le potentiel de corrosion de l'auto-corrosion de l'acier inoxydable, améliorant ainsi la stabilité de l'acier dans les milieux corrosifs.

2). Étude de brevet clé

Brevet clé: le brevet d'invention d'un acier à faible activation renforcé de dispersion et sa méthode de préparation par l'Institut des métaux, Academy des sciences chinoises

Résumé des brevets: fourni est un acier d'activation à faible activation renforcée à la dispersion pour les réacteurs de fusion et sa méthode de préparation, caractérisée en ce que le pourcentage d'éléments d'alliage dans la masse totale du faible acier d'activation est: la matrice est FE, 0,08% ≤ C ≤ 0,15%, 8,0% ≤ CR ≤ 10,0%, 1,1% ≤ w ≤ 1,55%, 0,1% ≤ V ≤ V ≤ V ≤ V ≤ V ≤ V let 0,03% ≤ TA ≤ 0,2%, 0,1 ≤ Mn ≤ 0,6% et 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Processus de fabrication: FE-CR-WV-TA-MN SMELTIF ALLIAGE MÈRE, ATOMICATION DE POUDRE, Faillage à billes à haute énergie de l'alliage mère etNanoparticules Y2O3Poudre mélangée, extraction enveloppante de poudre, moulure de solidification, roulement à chaud et traitement thermique.

Méthode d'addition de terres rares: ajouter nanomédiqueY2O3Particules à la poudre atomisée en alliage parent pour un broyage à billes à haute énergie, le milieu de broyage à billes étant φ 6 et φ 10 des boules en acier dur mélangées, avec une atmosphère de broyage à billes de 99,99% de gaz argon, un rapport masse de matériau de balle de (8-10): 1, un temps de broyage à balle de 40-70 heures, et une vitesse de rotation de 350-500 R / min.

3）.

① Principe de la radioprotection des neutrons

Les neutrons sont des composants des noyaux atomiques, avec une masse statique de 1,675 × 10-27 kg, soit 1838 fois la masse électronique. Son rayon est d'environ 0,8 × 10-15m, de taille similaire à un proton, similaire aux rayons γ ne sont pas non chargés. Lorsque les neutrons interagissent avec la matière, ils interagissent principalement avec les forces nucléaires à l'intérieur du noyau et n'interagissent pas avec les électrons dans la coque externe.

Avec le développement rapide de l'énergie nucléaire et de la technologie des réacteurs nucléaires, de plus en plus d'attention a été accordée aux radiations nucléaires et aux radiations nucléaires. Afin de renforcer la radioprotection des opérateurs qui sont engagés dans l'entretien des équipements de radiation et le sauvetage des accidents depuis longtemps, il est d'une grande importance scientifique et d'une valeur économique pour développer des composites de blindage léger pour des vêtements de protection. Le rayonnement à neutrons est la partie la plus importante du rayonnement du réacteur nucléaire. Généralement, la plupart des neutrons en contact direct avec les êtres humains ont été ralentis en neutrons à faible énergie après l'effet de blindage à neutrons des matériaux structurels à l'intérieur du réacteur nucléaire. Les neutrons à faible énergie entreront en collision avec des noyaux avec un nombre atomique plus faible élastiquement et continueront d'être modérés. Les neutrons thermiques modérés seront absorbés par des éléments avec des sections transversales d'absorption des neutrons plus importantes, et enfin le blindage à neutrons sera obtenu.

② Étude de brevet clé

Les propriétés hybrides poreuses et biologiques inorganiques deélément de terre raregadoliniumLes matériaux squelettes organiques métalliques basés sur métal augmentent leur compatibilité avec le polyéthylène, favorisant les matériaux composites synthétisés pour avoir une teneur en gadolinium plus élevée et une dispersion du gadolinium. La teneur élevée en gadolinium et la dispersion affecteront directement les performances de blindage à neutrons des matériaux composites.

Brevet clé: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, invention Brevet of a Gadolinium Organic Framework Composite Chielding Material et sa méthode de préparation

Résumé des brevets: Le matériau de blindage composite squelette en métal à base de gadolinium à base de gadolinium est un matériau composite formé par mélangegadoliniumMatériau squelette organique métallique à base de polyéthylène dans un rapport de poids de 2: 1: 10 et le formant par évaporation du solvant ou pressage chaud. Les matériaux de blindage composite squelettique à base de gadolinium à base de gadolinium ont une stabilité thermique élevée et une capacité de blindage thermique à neutrons.

Processus de fabrication: Sélection de différentsgadolinium en métalsels et ligands biologiques pour préparer et synthétiser différents types de matériaux squelettes biologiques métalliques à base de gadolinium, les laver avec de petites molécules de méthanol, d'éthanol ou d'eau par centrifugation, et les activant à haute température dans des conditions de vide pour les matériaux de base du Gadolinium à base de gadoliniums. Le matériau squelette organométallique à base de gadolinium préparé en pas est agité avec une lotion en polyéthylène à grande vitesse, ou ultrasique, ou le matériau squelettique organométallique à base de gadolinium préparé en étape est mélangé avec du polyéthylène moléculaire ultra-high-high à haute température jusqu'à ce qu'il soit complètement mélangé; Placer le mélange de squelette organique métallique à base de gadolinium uniformément mélangée / mélange de polyéthylène dans le moule, et obtenez le matériau de blindage composite squelette en métal à base de gadolinium formé en séchant pour favoriser l'évaporation du solvant ou la pressage chaud; Le matériau de blindage composite squelette métallique à base de gadolinium préparé au gadolinium a considérablement amélioré la résistance à la chaleur, les propriétés mécaniques et la capacité de blindage thermique thermique supérieure par rapport aux matériaux en polyéthylène pur.

Mode d'addition de terres rares: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 ou GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Polymère de coordination cristalline contenant du gadolinium, qui est obtenu par polymérisation de coordination de la polymérisation de coordination deGD (NO3) 3 • 6H2O ou GDCL3 • 6H2Oet ligand carboxylate biologique; La taille du matériau squelette organique métallique à base de gadolinium est de 50 nm-2 μm ； Les matériaux squelettes organiques métalliques à base de gadolinium ont des morphologies différentes, y compris des formes en forme de granulaire, en forme de tige ou en forme d'aiguille.

（4） Application deScandiumdans la radiochimie et l'industrie nucléaire

Scandium métal a une bonne stabilité thermique et de fortes performances d'absorption du fluor, ce qui en fait un matériau indispensable dans l'industrie de l'énergie atomique.

Brevet clé: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, Invention Brevet pour un alliage de scandium de magnésium en aluminium en aluminium et sa méthode de préparation

Résumé des brevets: un zinc en aluminiumalliage de scandium de magnésiumet sa méthode de préparation. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0,15%, et le montant restant est al. La microstructure de ce matériau en alliage de scandium de magnésium de zinc en aluminium est uniforme et ses performances sont stables, avec une résistance à la traction ultime de plus de 400 MPA, une limite d'élasticité de plus de 350 MPa et une résistance à la traction de plus de 370 MPA pour les articulations soudées. Les produits matériels peuvent être utilisés comme éléments structurels dans l'aérospatiale, l'industrie nucléaire, le transport, les articles sportifs, les armes et autres domaines.

Processus de fabrication: étape 1, ingrédient selon la composition en alliage ci-dessus; Étape 2: Faire fondre dans la fournaise de fusion à une température de 700 ℃ ~ 780 ℃; Étape 3: Affinez le liquide métallique complètement fondu et maintenez la température métallique dans la plage de 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​pendant le raffinage; Étape 4: Après le raffinage, il devrait être pleinement autorisé à rester immobile; Étape 5: Après complètement debout, commencez à couler, maintenez la température du four dans la plage de 690 ℃ ~ 730 ℃, et la vitesse de coulée est de 15-200 mm / minute; Étape 6: effectuer un traitement de recuit d'homogénéisation sur le lingot en alliage dans le four chauffant, avec une température d'homogénéisation de 400 ℃ ~ 470 ℃; Étape 7: Peler le lingot homogénéisé et effectuer une extrusion chaude pour produire des profils avec une épaisseur de paroi de plus de 2,0 mm. Pendant le processus d'extrusion, la billette doit être maintenue à une température de 350 ℃ à 410 ℃; Étape 8: Pressez le profil du traitement de l'extinction de la solution, avec une température de solution de 460-480 ℃; Étape 9: Après 72 heures de trempage de la solution solide, force manuellement le vieillissement. Le système de vieillissement de la force manuelle est: 90 ~ 110 ℃ / 24 heures + 170 ~ 180 ℃ / 5 heures, ou 90 ~ 110 ℃ / 24 heures + 145 ~ 155 ℃ / 10 heures.

5 、 Résumé de la recherche

Dans l'ensemble, les terres rares sont largement utilisées dans la fusion nucléaire et la fission nucléaire, et ont de nombreuses dispositions de brevets dans des directions techniques telles que l'excitation des rayons X, la formation de plasma, le réacteur d'eau léger, le transuranium, l'uranyle et la poudre d'oxyde. En ce qui concerne les matériaux des réacteurs, les terres rares peuvent être utilisées comme matériaux structurels du réacteur et les matériaux d'isolation en céramique apparentés, les matériaux de contrôle et les matériaux de radiothérapie à neutrons.