Application des éléments de terres rares dans les matières nucléaires

1、Définition des matières nucléaires

Au sens large, matière nucléaire est le terme général désignant les matières utilisées exclusivement dans l'industrie nucléaire et la recherche scientifique nucléaire, y compris le combustible nucléaire et les matières d'ingénierie nucléaire, c'est-à-dire les matières combustibles non nucléaires.

Les matières nucléaires communément appelées font principalement référence aux matériaux utilisés dans diverses parties du réacteur, également appelés matériaux de réacteur. Les matériaux des réacteurs comprennent le combustible nucléaire qui subit une fission nucléaire sous un bombardement neutronique, les matériaux de gainage des composants du combustible nucléaire, les liquides de refroidissement, les modérateurs de neutrons (modérateurs), les matériaux des barres de commande qui absorbent fortement les neutrons et les matériaux réfléchissants qui empêchent les fuites de neutrons à l'extérieur du réacteur.

2、 Relation de coassociation entre les ressources en terres rares et les ressources nucléaires

La monazite, également appelée phosphocérite et phosphocérite, est un minéral accessoire courant dans les roches ignées acides intermédiaires et les roches métamorphiques. La monazite est l'un des principaux minéraux du minerai de terres rares et existe également dans certaines roches sédimentaires. Rouge brunâtre, jaune, parfois jaune brunâtre, avec un éclat gras, un clivage complet, une dureté Mohs de 5 à 5,5 et une densité spécifique de 4,9 à 5,5.

Le principal minerai de certains gisements de terres rares de type placer 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 ressources en terres rares de type placers n’a souvent pas de signification économique. Les pierres solitaires contiennent souvent des éléments réflexifs de thorium et constituent également la principale source de plutonium commercial.

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

Une fois que les mots-clés des éléments de recherche de terres rares sont entièrement développés, ils sont combinés avec les clés d'expansion 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. 4 837 brevets ont été obtenus après simple fusion familiale, et 4 673 brevets ont été déterminés après réduction artificielle du bruit.

Les demandes de brevet de 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 des demandes de brevets technologiques liés à l'application des terres rares dans la fission nucléaire et la fusion nucléaire dans les pays/régions

Il ressort de l'analyse des thèmes techniques que l'application des terres rares dans la fusion nucléaire et la fission nucléaire 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 recherche clé en matière de brevets sur les éléments de terres rares dans les matières nucléaires

Parmi elles, les réactions de fusion nucléaire et de fission nucléaire dans les matières nucléaires sont intenses et les exigences relatives aux matériaux sont strictes. À l'heure actuelle, les réacteurs de puissance sont principalement des réacteurs à fission nucléaire, et les réacteurs à fusion pourraient être popularisés à grande échelle après 50 ans. L'application deterre rareéléments dans les matériaux de structure des réacteurs ; Dans des domaines spécifiques de la chimie nucléaire, les éléments des terres rares sont principalement utilisés dans les barres de contrôle ; En outre,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. Surtout au début du premier cycle de ravitaillement, lorsque tout le combustible nucléaire présent dans le cœur est neuf, la réactivité restante est la plus élevée. À ce stade, compter uniquement sur l’augmentation des barres de contrôle pour compenser la réactivité résiduelle introduirait davantage de barres de contrôle. Chaque tige de commande (ou faisceau de tiges) correspond à l'introduction d'un mécanisme d'entraînement complexe. D'une part, cela augmente les coûts, et d'autre part, l'ouverture de trous dans la tête du récipient sous pression peut entraîner une diminution de la résistance structurelle. Non seulement cela n’est pas économique, mais il n’est pas non plus permis d’avoir une certaine porosité et une certaine résistance structurelle sur la tête du récipient sous pression. Cependant, sans augmenter les barres de contrôle, il est nécessaire d'augmenter la concentration de toxines chimiques compensatrices (comme l'acide borique) pour compenser la réactivité restante. Dans ce cas, il est facile que la concentration en bore dépasse le seuil et le coefficient de température du modérateur deviendra 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） Comme dopant pour améliorer les performances des matériaux structurels 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 de terres rares

Le réacteur nucléaire est soumis à des conditions physiques et chimiques extrêmes, et chaque composant du réacteur a également des exigences élevées en matière d'acier spécial utilisé. Les éléments des terres rares ont des effets de modification spéciaux sur l'acier, notamment la purification, le métamorphisme, les microalliages 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 purifiant : des recherches existantes ont montré que les terres rares ont un bon effet purifiant sur l'acier fondu à haute température. En effet, les terres rares 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. Les composés à haute température peuvent être précipités et évacués sous forme d'inclusions avant que l'acier fondu ne se condense, réduisant ainsi la teneur en impuretés dans l'acier fondu.

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

③ Microalliage : si l'ajout de terres rares est encore augmenté, les terres rares restantes seront dissoutes dans l'acier une fois la purification et le métamorphisme ci-dessus terminés. Étant donné que le rayon atomique des terres rares est plus grand que celui de l’atome de fer, les terres rares ont une activité de surface plus élevée. Au cours du processus de solidification de l'acier fondu, les éléments de terres rares sont enrichis au joint de grain, ce qui peut mieux réduire la ségrégation des éléments d'impureté au joint de grain, renforçant ainsi la solution solide et jouant le rôle de microalliage. D'autre part, en raison des caractéristiques de stockage de l'hydrogène des terres rares, elles peuvent absorber l'hydrogène présent dans l'acier, améliorant ainsi efficacement le phénomène de fragilisation de l'acier par l'hydrogène.

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’autocorrosion plus élevé que l’acier inoxydable. Par conséquent, l’ajout de terres rares peut augmenter le potentiel d’autocorrosion de l’acier inoxydable, améliorant ainsi la stabilité de l’acier dans des milieux corrosifs.

2). Étude clé sur les brevets

Brevet clé : brevet d'invention d'un acier à faible activation renforcé par dispersion d'oxydes et de 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 une dispersion d'oxydes 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 %.

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

Méthode d'ajout de terres rares : ajouter une échelle nanométriqueY2O3particules à la poudre atomisée de l'alliage parent pour le broyage à billes à haute énergie, le milieu de broyage à billes étant constitué de billes d'acier dur mélangées de Φ 6 et Φ 10, avec une atmosphère de broyage à billes de 99,99 % d'argon gazeux, un rapport massique 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 protection contre les rayonnements neutroniques

Les neutrons sont des composants des noyaux atomiques, avec une masse statique de 1,675 × 10-27 kg, soit 1 838 fois la masse électronique. Son rayon est d'environ 0,8 × 10-15 m, de taille similaire à celle d'un proton, similaire aux rayons γ qui sont également 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 de la coque externe.

Avec le développement rapide de l'énergie nucléaire et de la technologie des réacteurs nucléaires, une attention croissante a été accordée à la sûreté et à la radioprotection nucléaires. Afin de renforcer la radioprotection des opérateurs engagés depuis longtemps dans la maintenance des équipements radioactifs et le sauvetage en cas d'accident, il est d'une grande importance scientifique et d'une grande valeur économique de développer des composites de blindage légers pour les vêtements de protection. Le rayonnement neutronique constitue la partie la plus importante du rayonnement des réacteurs nucléaires. Généralement, la plupart des neutrons en contact direct avec les êtres humains ont été ralentis en neutrons de basse énergie grâce à l'effet de protection neutronique des matériaux structurels à l'intérieur du réacteur nucléaire. Les neutrons de basse énergie entreront en collision élastique avec des noyaux de numéro atomique inférieur et continueront d’être modérés. Les neutrons thermiques modérés seront absorbés par des éléments ayant des sections efficaces d’absorption neutronique plus grandes, et finalement une protection neutronique sera réalisée.

② Étude clé sur les brevets

Les propriétés hybrides poreuses et organiques-inorganiques deélément de terre raregadoliniumles matériaux à base de squelette organique métallique augmentent leur compatibilité avec le polyéthylène, favorisant ainsi les matériaux composites synthétisés ayant une teneur en gadolinium et une dispersion de gadolinium plus élevées. La teneur élevée en gadolinium et sa dispersion affecteront directement les performances de protection neutronique des matériaux composites.

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

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

Processus de fabrication : sélection de différentsgadolinium métalsels et ligands organiques pour préparer et synthétiser différents types de matériaux de squelette organique métallique 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 n'ayant pas réagi dans les pores des matériaux de squelette organique métallique à base de gadolinium ; Le matériau de 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 de squelette organométallique à base de gadolinium préparé à l'étape est mélangé en fusion avec du polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé à haute température jusqu'à ce qu'il soit complètement mélangé ; Placer le mélange de matériau de squelette organique métallique à base de gadolinium/polyéthylène uniformément mélangé dans le moule, et obtenir le matériau de protection composite de squelette organique métallique à base de gadolinium formé par séchage pour favoriser l'évaporation du solvant ou le pressage à chaud ; Le matériau de blindage composite à squelette organométallique à base de gadolinium préparé présente une résistance à la chaleur, des propriétés mécaniques et une capacité de protection 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, obtenu par polymérisation de coordination deGd (NO3) 3 • 6H2O ou GdCl3 • 6H2Oet un ligand carboxylate organique ; La taille du matériau de squelette organique métallique à base de gadolinium est de 50 nm-2 µm. Les matériaux de squelette organique métallique à base de gadolinium ont différentes morphologies, notamment des formes granulaires, en forme de tige ou 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 du brevet : Un zinc aluminiumalliage de magnésium et de scandiumet sa méthode de préparation. La composition chimique et le pourcentage en poids 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 uniques ≤ 0,05 %, les autres impuretés totalisent ≤ 0,15 % et le montant restant 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, les armes et d'autres domaines.

Processus de fabrication : Étape 1, ingrédient selon la composition de l’alliage ci-dessus ; Étape 2 : Faire 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 le raffinage ; Étape 4 : Après le raffinage, il doit être complètement immobile ; Étape 5 : Une fois complètement debout, commencez la coulée, maintenez la température du four dans la plage de 690 ℃ ~ 730 ℃ et la vitesse de coulée est de 15 à 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 : Décollez le lingot homogénéisé et effectuez une extrusion à chaud pour produire des profilés d'une épaisseur de paroi supérieure à 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 pour le traitement de trempe en solution, avec une température de solution de 460 à 480 ℃ ; Étape 9 : Après 72 heures de trempe en solution solide, forcez manuellement le vieillissement. Le système de vieillissement par 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 font l'objet de nombreux brevets dans des domaines techniques tels que l'excitation des rayons X, la formation de plasma, le réacteur à eau légère, le transuranium, l'uranyle et la poudre d'oxyde. En ce qui concerne les matériaux de réacteur, les terres rares peuvent être utilisées comme matériaux de structure de réacteur et matériaux d'isolation céramique associés, matériaux de contrôle et matériaux de protection contre les rayonnements neutroniques.