Application des éléments des terres rares dans les matériaux nucléaires

1. Définition des matières nucléaires

Au sens large, le terme « matière nucléaire » désigne les matériaux utilisés exclusivement dans l'industrie nucléaire et la recherche scientifique nucléaire, y compris le combustible nucléaire et les matériaux d'ingénierie nucléaire, c'est-à-dire les matériaux combustibles non nucléaires.

Les matériaux nucléaires couramment utilisés désignent principalement les matériaux utilisés dans les différentes parties du réacteur, également appelés matériaux de réacteur. Les matériaux de réacteur comprennent le combustible nucléaire soumis à la fission nucléaire sous bombardement neutronique, les matériaux de gainage des composants du combustible nucléaire, les fluides de refroidissement, les modérateurs de neutrons, les matériaux des barres de contrôle absorbant fortement les neutrons et les matériaux réfléchissants empêchant les fuites de neutrons hors du réacteur.

2、 Relation de co-association entre les ressources en terres rares et les ressources nucléaires

La monazite, également appelée phosphocérite, est un minéral accessoire courant dans les roches ignées acides intermédiaires et les roches métamorphiques. La monazite est l'un des principaux minéraux des minerais de terres rares et est également présente dans certaines roches sédimentaires. De couleur rouge brunâtre, jaune, parfois jaune brunâtre, elle présente un éclat huileux, un clivage complet, une dureté Mohs de 5 à 5,5 et une densité de 4,9 à 5,5.

Le principal minerai de certains gisements de terres rares alluviales en Chine est la monazite, principalement située à Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan et dans le comté de He, Guangxi. Cependant, l'extraction de ces ressources n'a souvent pas d'importance économique. Les pierres solitaires contiennent souvent des éléments de thorium réflectifs et constituent également la principale source de plutonium commercial.

3、 Aperçu de l'application des terres rares dans la fusion et la fission nucléaires basé sur une analyse panoramique des brevets

Une fois les mots-clés des éléments de recherche de terres rares entièrement développés, ils sont combinés avec les clés d'expansion et les numéros de classification de la fission et de la fusion nucléaires, puis recherchés dans la base de données Incopt. La date de recherche est le 24 août 2020. 4 837 brevets ont été obtenus après fusion simple de familles, et 4 673 brevets ont été déterminés après réduction artificielle du bruit.

Les demandes de brevets sur les terres rares dans le domaine de la fission nucléaire ou de la fusion nucléaire sont réparties dans 56 pays/régions, principalement concentrées au Japon, en Chine, aux États-Unis, en Allemagne et en Russie, etc. Un nombre considérable de brevets sont déposés sous forme de PCT, dont les demandes de brevets technologiques chinois ont augmenté, en particulier depuis 2009, entrant dans une phase de croissance rapide, et le Japon, les États-Unis et la Russie ont continué à se développer dans ce domaine pendant de nombreuses années (figure 1).

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

L'analyse des thèmes techniques montre que l'application des terres rares dans la fusion et la fission nucléaires se concentre sur les éléments combustibles, les scintillateurs, les détecteurs de rayonnement, les actinides, les plasmas, les réacteurs nucléaires, les matériaux de blindage, l'absorption des neutrons et d'autres domaines techniques.

4. Applications spécifiques et recherches clés en matière de brevets sur les éléments des terres rares dans les matériaux nucléaires

Parmi celles-ci, les réactions de fusion et de fission nucléaires dans les matériaux nucléaires sont intenses, et les exigences en matière de matériaux sont strictes. Actuellement, les réacteurs de puissance sont principalement des réacteurs à fission nucléaire, et les réacteurs à fusion pourraient être popularisés à grande échelle d'ici 50 ans. L'application deterres rareséléments dans les matériaux de structure des réacteurs ; Dans certains domaines spécifiques de la chimie nucléaire, les éléments des terres rares sont principalement utilisés dans les barres de contrôle ; De plus,scandiuma également été utilisé en radiochimie et dans l'industrie nucléaire.

（1） Comme poison combustible ou barre de contrôle pour ajuster le niveau de neutrons et l'état critique du réacteur nucléaire

Dans les réacteurs de puissance, la réactivité résiduelle initiale des cœurs neufs est généralement relativement élevée. C'est particulièrement vrai au début du premier cycle de rechargement, lorsque le combustible nucléaire du cœur est entièrement neuf, que la réactivité résiduelle est la plus élevée. À ce stade, se contenter d'augmenter le nombre de barres de contrôle pour compenser la réactivité résiduelle reviendrait à en introduire davantage. Chaque barre de contrôle (ou faisceau de barres) implique l'introduction d'un mécanisme d'entraînement complexe. D'une part, cela augmente les coûts et, d'autre part, percer des trous dans le couvercle de la cuve peut entraîner une diminution de la résistance structurelle. Non seulement cette solution est peu rentable, mais elle ne permet pas non plus d'atteindre une certaine porosité et une certaine résistance structurelle au niveau du couvercle de la cuve. Cependant, sans augmentation du nombre de barres de contrôle, il est nécessaire d'augmenter la concentration en toxines chimiques compensatrices (comme l'acide borique) pour compenser la réactivité résiduelle. Dans ce cas, la concentration en bore peut facilement dépasser le seuil, et le coefficient de température du modérateur devient positif.

Pour éviter les problèmes mentionnés ci-dessus, une combinaison de toxines combustibles, de barres de contrôle et de contrôle de compensation chimique peut généralement être utilisée pour le contrôle.

（2） En tant que dopant pour améliorer les performances des matériaux de structure des réacteurs

Les réacteurs nécessitent que les composants structurels et les éléments combustibles présentent un certain niveau de résistance, de résistance à la corrosion et une stabilité thermique élevée, tout en empêchant les produits de fission de pénétrer dans le liquide de refroidissement.

1) Acier aux terres rares

Les réacteurs nucléaires sont soumis à des conditions physiques et chimiques extrêmes, et chaque composant du réacteur présente des exigences élevées en matière d'acier spécial. Les terres rares exercent des effets de modification spécifiques sur l'acier, notamment la purification, le métamorphisme, le microalliage 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 purificateur : Des recherches existantes ont montré que les terres rares ont un bon effet purificateur sur l'acier en fusion à haute température. En effet, elles peuvent réagir avec des éléments nocifs tels que l'oxygène et le soufre présents dans l'acier en fusion pour générer des composés à haute température. Ces composés peuvent précipiter et être libérés sous forme d'inclusions avant la condensation de l'acier en fusion, réduisant ainsi la teneur en impuretés de l'acier en fusion.

2. Métamorphisme : d'autre part, les oxydes, sulfures ou oxysulfures générés par la réaction des terres rares de l'acier en fusion avec des éléments nocifs tels que l'oxygène et le soufre peuvent être partiellement retenus dans l'acier en fusion et former des inclusions d'acier à point de fusion élevé. Ces inclusions peuvent servir de centres de nucléation hétérogènes lors de la solidification de l'acier en fusion, améliorant ainsi sa forme et sa structure.

③ Microalliage : si l'on augmente encore l'ajout de terres rares, celles-ci seront dissoutes dans l'acier une fois la purification et le métamorphisme terminés. Leur rayon atomique étant supérieur à celui du fer, leur activité de surface est plus élevée. Lors de la solidification de l'acier en fusion, les terres rares s'enrichissent aux joints de grains, ce qui permet de mieux réduire la ségrégation des impuretés, renforçant ainsi la solution solide et jouant un rôle de microalliage. D'autre part, grâce à leurs propriétés de stockage d'hydrogène, les terres rares peuvent absorber l'hydrogène présent dans l'acier, améliorant ainsi efficacement la fragilisation par l'hydrogène.

④ Amélioration de la résistance à la corrosion : L'ajout de terres rares peut également améliorer la résistance à la corrosion de l'acier. En effet, les terres rares présentent un potentiel d'autocorrosion supérieur à celui de l'acier inoxydable. Par conséquent, l'ajout de terres rares peut augmenter le potentiel d'autocorrosion de l'acier inoxydable, améliorant ainsi sa stabilité en milieu corrosif.

2). Étude clé sur les brevets

Brevet clé : brevet d'invention d'un acier à faible activation renforcé par dispersion d'oxyde et sa méthode de préparation par l'Institut des métaux de l'Académie chinoise des sciences

Résumé de brevet : L'invention concerne un acier à faible activation renforcé par dispersion d'oxyde adapté aux réacteurs de fusion et son procédé de préparation, caractérisé en ce que le pourcentage d'éléments d'alliage dans la masse totale de l'acier à faible activation est : la matrice est 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 %, et 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.

Procédé de fabrication : fusion de l'alliage mère Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomisation de la poudre, broyage à boulets à haute énergie de l'alliage mère etNanoparticule Y2O3poudre mélangée, extraction par enrobage de poudre, moulage par solidification, laminage à chaud et traitement thermique.

Méthode d'ajout de terres rares : ajouter des terres nanométriquesY2O3particules dans la poudre atomisée de l'alliage parent pour le broyage à billes à haute énergie, le milieu de broyage à billes étant des billes d'acier dur mélangées Φ 6 et Φ 10, avec une atmosphère de broyage à billes de 99,99 % de gaz argon, un rapport de masse de matériau de bille de (8-10) : 1, un temps de broyage à billes de 40 à 70 heures et une vitesse de rotation de 350 à 500 tr/min.

3) Utilisé pour fabriquer des matériaux de protection contre les rayonnements neutroniques

1 Principe de la radioprotection neutronique

Les neutrons sont des composants des noyaux atomiques. Leur masse statique est de 1,675 × 10-27 kg, soit 1 838 fois la masse électronique. Leur rayon est d'environ 0,8 × 10-15 m, de taille similaire à celle d'un proton, et les rayons γ sont également déchargés. Lorsque les neutrons interagissent avec la matière, ils interagissent principalement avec les forces nucléaires internes au noyau, et non avec les électrons de la couche externe.

Avec le développement rapide de l'énergie nucléaire et de la technologie des réacteurs nucléaires, la sûreté et la radioprotection nucléaires font l'objet d'une attention croissante. Afin de renforcer la radioprotection des opérateurs impliqués depuis longtemps dans la maintenance des équipements de radioprotection et le sauvetage en cas d'accident, le développement de composites de blindage légers pour les vêtements de protection présente un intérêt scientifique et économique majeur. Le rayonnement neutronique est la composante la plus importante du rayonnement des réacteurs nucléaires. Généralement, la plupart des neutrons en contact direct avec les êtres humains sont ralentis en neutrons de basse énergie grâce à l'effet de blindage des matériaux de structure du réacteur. Les neutrons de basse énergie entrent en collision élastique avec les noyaux de numéro atomique inférieur et continuent d'être modérés. Les neutrons thermiques modérés sont absorbés par des éléments à section efficace d'absorption neutronique plus importante, ce qui permet d'obtenir un blindage neutronique.

2 Étude de brevets clés

Les propriétés poreuses et hybrides organiques-inorganiques deélément de terre raregadoliniumLes matériaux à squelette organométallique augmentent leur compatibilité avec le polyéthylène, favorisant ainsi une teneur et une dispersion de gadolinium plus élevées dans les composites synthétisés. Cette teneur et cette dispersion élevées influencent directement les performances de blindage neutronique des matériaux composites.

Brevet clé : Institut des sciences des matériaux de Hefei, Académie chinoise des sciences, brevet d'invention d'un matériau de blindage composite à structure organique à base de gadolinium et sa méthode de préparation

Résumé du brevet : Le matériau de blindage composite à squelette organométallique à base de gadolinium est un matériau composite formé par mélangegadoliniumMatériau à squelette organométallique à base de polyéthylène dans un rapport pondéral de 2:1:10, formé par évaporation de solvant ou pressage à chaud. Les matériaux de blindage composites à squelette organométallique à base de gadolinium présentent une stabilité thermique élevée et une capacité de protection contre les neutrons thermiques.

Processus de fabrication : sélection de différentsmétal gadoliniumSels et ligands organiques pour préparer et synthétiser différents types de matériaux à squelette organométallique à base de gadolinium, en les lavant avec de petites molécules de méthanol, d'éthanol ou d'eau par centrifugation, et en les activant à haute température sous vide pour éliminer complètement les matières premières résiduelles non réagies dans les pores des matériaux à squelette organométallique à base de gadolinium ; Le matériau à squelette organométallique à base de gadolinium préparé à l'étape est agité avec une lotion de polyéthylène à grande vitesse, ou par ultrasons, ou le matériau à squelette organométallique à base de gadolinium préparé à l'étape est mélangé à l'état fondu avec du polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé à haute température jusqu'à ce qu'il soit complètement mélangé ; Placer le mélange uniformément mélangé de matériau à squelette organométallique à base de gadolinium/polyéthylène dans le moule, et obtenir le matériau de blindage composite à squelette organométallique à base de gadolinium formé par séchage pour favoriser l'évaporation du solvant ou pressage à chaud ; Le matériau de blindage composite à squelette organométallique à base de gadolinium préparé a une résistance à la chaleur, des propriétés mécaniques et une capacité de blindage contre les neutrons thermiques considérablement améliorées 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 cristallin poreux contenant du gadolinium, qui est obtenu par polymérisation de coordination deGd (NO3) 3 • 6H2O ou GdCl3 • 6H2Oet ligand carboxylate organique ; La taille du matériau de squelette organométallique à base de gadolinium est de 50 nm à 2 μ m. Les matériaux de squelette organométallique à base de gadolinium ont différentes morphologies, notamment des formes granulaires, en forme de tige ou en forme d'aiguille.

（4） Application deScandiumen radiochimie et industrie nucléaire

Le métal scandium présente 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, brevet d'invention pour un alliage aluminium zinc magnésium scandium et sa méthode de préparation

Résumé de brevet : Un alliage d'aluminium et de zincalliage de magnésium et de scandiumet sa méthode de préparation. La composition chimique et le pourcentage pondéral de l'alliage aluminium zinc magnésium scandium sont : Mg 1,0 % -2,4 %, Zn 3,5 % -5,5 %, Sc 0,04 % -0,50 %, Zr 0,04 % -0,35 %, impuretés Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, autres impuretés simples ≤ 0,05 %, autres impuretés totales ≤ 0,15 %, et la quantité restante est Al. La microstructure de ce matériau en alliage aluminium zinc magnésium scandium 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 joints soudés. Les produits matériels peuvent être utilisés comme éléments structurels dans l'aérospatiale, l'industrie nucléaire, les transports, les articles de sport, l'armement et d'autres domaines.

Français : Processus de fabrication : Étape 1, ingrédient selon la composition de l'alliage ci-dessus ; Étape 2 : Fondre dans le four de fusion à une température de 700 ℃~780 ℃ ; Étape 3 : Affiner le liquide métallique complètement fondu et maintenir la température du métal dans la plage de 700 ℃~750 ℃ ​​pendant l'affinage ; Étape 4 : Après l'affinage, il doit être complètement immobile ; Étape 5 : Après un repos complet, commencer la coulée, maintenir 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 d'alliage dans le four de chauffage, avec une température d'homogénéisation de 400 ℃~470 ℃ ; Étape 7 : Décoller le lingot homogénéisé et effectuer une extrusion à chaud 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 : Presser le profilé pour le traitement de trempe en solution, avec une température de solution de 460-480 ℃ ; Étape 9 : Après 72 heures de trempe en solution solide, vieillir manuellement. Le système de vieillissement manuel est : 90~110 ℃/24 heures + 170~180 ℃/5 heures, ou 90~110 ℃/24 heures + 145~155 ℃/10 heures.

5、 Résumé de la recherche

Globalement, les terres rares sont largement utilisées en fusion et fission nucléaires, et font l'objet de nombreux brevets dans des domaines techniques tels que l'excitation par rayons X, la formation de plasma, les réacteurs à eau légère, les transuraniens, l'uranyle et les poudres d'oxydes. Quant aux matériaux des réacteurs, les terres rares peuvent être utilisées comme matériaux de structure, matériaux d'isolation céramique, matériaux de contrôle et matériaux de protection contre les rayonnements neutroniques.