استخدام العناصر الأرضية النادرة في المواد النووية

1. تعريف المواد النووية

بالمعنى الواسع، المواد النووية هي المصطلح العام للمواد المستخدمة حصريًا في الصناعة النووية والبحث العلمي النووي، بما في ذلك الوقود النووي ومواد الهندسة النووية، أي المواد غير النووية.

المواد النووية، التي يُشار إليها عادةً، هي أساسًا المواد المستخدمة في أجزاء مختلفة من المفاعل، وتُعرف أيضًا باسم مواد المفاعل. تشمل مواد المفاعل الوقود النووي الذي يتعرض للانشطار النووي تحت تأثير القصف النيوتروني، ومواد تغليف مكونات الوقود النووي، والمبردات، ومهدئات النيوترون، ومواد قضبان التحكم التي تمتص النيوترونات بقوة، والمواد العاكسة التي تمنع تسرب النيوترونات خارج المفاعل.

2. العلاقة المترابطة بين موارد الأرض النادرة والموارد النووية

المونازيت، المعروف أيضًا باسم فوسفوسيرايت وفوسفوسيرايت، معدن ثانوي شائع في الصخور النارية متوسطة الحموضة والصخور المتحولة. يُعد المونازيت أحد المعادن الرئيسية لخامات المعادن الأرضية النادرة، ويوجد أيضًا في بعض الصخور الرسوبية. لونه أحمر مائل للبني، أصفر، وأحيانًا أصفر مائل للبني، ذو لمعان دهني، وله انقسام كامل، وتتراوح صلادته على مقياس موس بين 5 و5.5، وكثافته النوعية بين 4.9 و5.5.

المونازيت هو الخام الرئيسي لبعض رواسب المعادن الأرضية النادرة الغرينية في الصين، ويقع بشكل رئيسي في تونغتشنغ، وهوبي، ويويانغ، وهونان، وشانغراو، وجيانغشي، ومينغهاي، ويوننان، ومقاطعة خه في قوانغشي. إلا أن استخراج هذه المعادن غالبًا ما لا يكون ذا أهمية اقتصادية. وتحتوي الأحجار المنفردة غالبًا على عناصر الثوريوم الانعكاسية، وهي أيضًا المصدر الرئيسي للبلوتونيوم التجاري.

3. نظرة عامة على تطبيق العناصر الأرضية النادرة في الاندماج النووي والانشطار النووي استنادًا إلى تحليل بانورامي لبراءات الاختراع

بعد توسيع نطاق البحث عن العناصر الأرضية النادرة بشكل كامل، تُدمج مع مفاتيح التوسعة وأرقام تصنيف الانشطار النووي والاندماج النووي، وتُبحث في قاعدة بيانات Incopt. تاريخ البحث هو 24 أغسطس/آب 2020. تم الحصول على 4837 براءة اختراع بعد دمج بسيط لعائلة واحدة، وتم تحديد 4673 براءة اختراع بعد تقليل الضوضاء الاصطناعية.

وتتوزع طلبات براءات الاختراع الخاصة بالعناصر الأرضية النادرة في مجال الانشطار النووي أو الاندماج النووي في 56 دولة/منطقة، وتتركز بشكل رئيسي في اليابان والصين والولايات المتحدة وألمانيا وروسيا، إلخ. ويتم تطبيق عدد كبير من براءات الاختراع في شكل معاهدة التعاون بشأن البراءات، حيث تتزايد طلبات تكنولوجيا براءات الاختراع الصينية، وخاصة منذ عام 2009، ودخلت مرحلة نمو سريعة، وواصلت اليابان والولايات المتحدة وروسيا التخطيط في هذا المجال لسنوات عديدة (الشكل 1).

الشكل 1: اتجاه تطبيق براءات الاختراع التكنولوجية المتعلقة بتطبيق العناصر الأرضية النادرة في الانشطار النووي والاندماج النووي في البلدان/المناطق

ومن خلال تحليل المواضيع التقنية، يتبين أن تطبيق العناصر الأرضية النادرة في الاندماج النووي والانشطار النووي يركز على عناصر الوقود، والومضات، وأجهزة الكشف عن الإشعاع، والأكتينيدات، والبلازما، والمفاعلات النووية، ومواد الحماية، وامتصاص النيوترونات، وغيرها من الاتجاهات التقنية.

4. التطبيقات المحددة وأبحاث براءات الاختراع الرئيسية للعناصر الأرضية النادرة في المواد النووية

من بينها، تفاعلات الاندماج النووي والانشطار النووي في المواد النووية كثيفة، ومتطلبات المواد صارمة. حاليًا، تعتمد مفاعلات الطاقة بشكل رئيسي على مفاعلات الانشطار النووي، وقد تنتشر مفاعلات الاندماج على نطاق واسع بعد 50 عامًا. تطبيق...العناصر الأرضية النادرةالعناصر في المواد الهيكلية للمفاعل؛ في المجالات الكيميائية النووية المحددة، تُستخدم العناصر الأرضية النادرة بشكل أساسي في قضبان التحكم؛ بالإضافة إلى ذلك،سكانديوموقد تم استخدامه أيضًا في الكيمياء الإشعاعية والصناعة النووية.

(1) كسم قابل للاشتعال أو قضيب تحكم لضبط مستوى النيوترون والحالة الحرجة للمفاعل النووي

في مفاعلات الطاقة، عادةً ما تكون التفاعلية المتبقية الأولية للأنوية الجديدة مرتفعة نسبيًا. خاصةً في المراحل الأولى من دورة التزود بالوقود الأولى، عندما يكون الوقود النووي في النواة جديدًا، تكون التفاعلية المتبقية في أعلى مستوياتها. في هذه المرحلة، سيؤدي الاعتماد فقط على زيادة قضبان التحكم لتعويض التفاعلية المتبقية إلى إدخال المزيد من قضبان التحكم. يتوافق كل قضيب تحكم (أو حزمة قضبان) مع إدخال آلية تشغيل معقدة. من ناحية، يزيد هذا من التكاليف، ومن ناحية أخرى، قد يؤدي فتح ثقوب في رأس وعاء الضغط إلى انخفاض في المتانة الهيكلية. ليس هذا غير اقتصادي فحسب، بل إنه من غير المسموح به أيضًا وجود قدر معين من المسامية والمتانة الهيكلية في رأس وعاء الضغط. ومع ذلك، بدون زيادة قضبان التحكم، من الضروري زيادة تركيز السموم الكيميائية التعويضية (مثل حمض البوريك) لتعويض التفاعلية المتبقية. في هذه الحالة، من السهل أن يتجاوز تركيز البورون الحد الأقصى، ويصبح معامل درجة حرارة المهدئ موجبًا.

لتجنب المشاكل المذكورة أعلاه، يمكن عمومًا استخدام مزيج من السموم القابلة للاشتعال، وقضبان التحكم، والتحكم بالتعويض الكيميائي للتحكم.

(2) كمنشط لتعزيز أداء المواد الهيكلية للمفاعل

تتطلب المفاعلات أن تتمتع المكونات الهيكلية وعناصر الوقود بمستوى معين من القوة ومقاومة التآكل والاستقرار الحراري العالي، مع منع المنتجات الانشطارية من دخول سائل التبريد.

1) .الفولاذ الأرضي النادر

يتميز المفاعل النووي بظروف فيزيائية وكيميائية قاسية، كما أن لكل مكون من مكوناته متطلبات عالية للفولاذ الخاص المستخدم. للعناصر الأرضية النادرة تأثيرات تعديلية خاصة على الفولاذ، تشمل بشكل رئيسي التنقية، والتحول، والسبائك الدقيقة، وتحسين مقاومة التآكل. كما يُستخدم الفولاذ المحتوي على العناصر الأرضية النادرة على نطاق واسع في المفاعلات النووية.

① تأثير التنقية: أظهرت الأبحاث الحالية أن للعناصر الأرضية النادرة تأثيرًا جيدًا في تنقية الفولاذ المصهور عند درجات الحرارة العالية. ويرجع ذلك إلى قدرتها على التفاعل مع العناصر الضارة، مثل الأكسجين والكبريت، في الفولاذ المصهور، مما يُنتج مركبات عالية الحرارة. تترسب هذه المركبات عالية الحرارة وتُفرّغ على شكل شوائب قبل تكثف الفولاذ المصهور، مما يُقلل من نسبة الشوائب فيه.

② التحول: من ناحية أخرى، يمكن للأكاسيد والكبريتيدات وأكسيد الكبريتيدات الناتجة عن تفاعل العناصر الأرضية النادرة في الفولاذ المصهور مع عناصر ضارة مثل الأكسجين والكبريت أن تتراكم جزئيًا في الفولاذ المصهور، متحولةً إلى شوائب من الفولاذ ذي درجة انصهار عالية. يمكن استخدام هذه الشوائب كمراكز نووية غير متجانسة أثناء تصلب الفولاذ المصهور، مما يُحسّن شكله وبنيته.

③ السبائك الدقيقة: بزيادة إضافة العناصر الأرضية النادرة، تذوب العناصر الأرضية النادرة المتبقية في الفولاذ بعد إتمام عملية التنقية والتحول. ولأن نصف القطر الذري للعناصر الأرضية النادرة أكبر من نصف قطر ذرة الحديد، فإن نشاطها السطحي أعلى. أثناء عملية تصلب الفولاذ المصهور، تُثري العناصر الأرضية النادرة عند حدود الحبيبات، مما يُقلل بشكل أفضل من فصل الشوائب عند حدود الحبيبات، مما يُعزز المحلول الصلب ويؤدي دور السبائك الدقيقة. من ناحية أخرى، بفضل خصائص تخزين الهيدروجين للعناصر الأرضية النادرة، يُمكنها امتصاص الهيدروجين في الفولاذ، مما يُحسّن بشكل فعال ظاهرة هشاشة الهيدروجين في الفولاذ.

④ تحسين مقاومة التآكل: إضافة العناصر الأرضية النادرة تُحسّن أيضًا مقاومة الفولاذ للتآكل. ويرجع ذلك إلى أن العناصر الأرضية النادرة تتمتع بقدرة تآكل ذاتي أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ. وبالتالي، فإن إضافة العناصر الأرضية النادرة تزيد من قدرة الفولاذ المقاوم للصدأ على التآكل الذاتي، مما يُحسّن استقراره في البيئات المسببة للتآكل.

2) دراسة براءة الاختراع الرئيسية

براءة اختراع رئيسية: براءة اختراع لفولاذ منخفض التنشيط معزز بتشتت الأكسيد وطريقة تحضيره من معهد المعادن بالأكاديمية الصينية للعلوم

ملخص براءة اختراع: تم توفير فولاذ منخفض التنشيط معزز بتشتت الأكسيد مناسب لمفاعلات الاندماج وطريقة تحضيره، يتميز بأن النسبة المئوية لعناصر السبائك في الكتلة الكلية للفولاذ منخفض التنشيط هي: المصفوفة هي 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%، و0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

عملية التصنيع: صهر سبيكة الأم Fe-Cr-WV-Ta-Mn، وذرات المسحوق، وطحن الكرات عالية الطاقة للسبائك الأم وجسيم نانوي Y2O3مسحوق مختلط، استخراج غلاف المسحوق، صب التصلب، الدرفلة الساخنة، والمعالجة الحرارية.

طريقة إضافة العناصر الأرضية النادرة: إضافة مقياس النانوY2O3جزيئات إلى مسحوق ذري من سبيكة الأم لطحن الكرات عالية الطاقة، مع كون وسط طحن الكرات عبارة عن كرات فولاذية صلبة مختلطة Φ 6 وΦ 10، مع جو طحن الكرات من غاز الأرجون بنسبة 99.99٪، ونسبة كتلة مادة الكرة (8-10): 1، ووقت طحن الكرات 40-70 ساعة، وسرعة دوران 350-500 دورة في الدقيقة.

3) تستخدم في صناعة مواد الحماية من الإشعاع النيوتروني

① مبدأ الحماية من الإشعاع النيوتروني

النيوترونات هي مكونات نواة الذرة، وتبلغ كتلتها الساكنة 1.675 × 10-27 كجم، أي ما يعادل 1838 ضعف الكتلة الإلكترونية. يبلغ نصف قطرها حوالي 0.8 × 10-15 متر، وهي مماثلة في الحجم للبروتون، وأشعة غاما. تكون النيوترونات غير مشحونة بالتساوي. عندما تتفاعل النيوترونات مع المادة، فإنها تتفاعل بشكل رئيسي مع القوى النووية داخل النواة، ولا تتفاعل مع الإلكترونات في الغلاف الخارجي.

مع التطور السريع للطاقة النووية وتكنولوجيا المفاعلات النووية، ازداد الاهتمام بالسلامة من الإشعاع النووي والحماية منه. ولتعزيز الحماية من الإشعاع للعاملين الذين عملوا في صيانة معدات الإشعاع والإنقاذ من الحوادث لفترة طويلة، يُعد تطوير مركبات واقية خفيفة الوزن للملابس الواقية أمرًا ذا أهمية علمية واقتصادية كبيرة. يُعد إشعاع النيوترونات أهم جزء في إشعاع المفاعل النووي. وبشكل عام، تُبطئ معظم النيوترونات التي تلامس البشر مباشرةً إلى نيوترونات منخفضة الطاقة بعد تأثير الحماية النيوترونية للمواد الهيكلية داخل المفاعل النووي. تصطدم النيوترونات منخفضة الطاقة بالنوى ذات العدد الذري المنخفض بشكل مرن وتستمر في الاعتدال. تمتص العناصر ذات المقاطع العرضية الأكبر لامتصاص النيوترونات النيوترونات الحرارية المُعتدلة، وفي النهاية يتم تحقيق الحماية النيوترونية.

② دراسة براءة الاختراع الرئيسية

الخصائص المسامية والهجينة العضوية وغير العضوية لـعنصر الأرض النادرةالغادولينيومتزيد مواد الهيكل العضوي المعدنية من توافقها مع البولي إيثيلين، مما يعزز محتوى الغادولينيوم وتشتته في المواد المركبة المُصنّعة. يؤثر هذا المحتوى والتشتت العاليان للغادولينيوم بشكل مباشر على أداء المواد المركبة في حجب النيوترونات.

براءة اختراع رئيسية: معهد هيفاي لعلوم المواد، الأكاديمية الصينية للعلوم، براءة اختراع لمادة حماية مركبة من إطار عضوي قائم على الغادولينيوم وطريقة تحضيرها

ملخص براءة الاختراع: مادة الحماية المركبة الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الغادولينيوم هي مادة مركبة تتكون من خلطالغادولينيوممادة هيكلية عضوية معدنية مصنوعة من البولي إيثيلين بنسبة وزنية 2:1:10، وتُشكّل بالتبخير بالمذيبات أو بالضغط الساخن. تتميز مواد التدريع المركبة الهيكلية العضوية المعدنية المصنوعة من الغادولينيوم بثبات حراري عالي وقدرة عالية على حماية النيوترونات الحرارية.

عملية التصنيع: اختيار مختلفمعدن الغادولينيومالأملاح والربيطة العضوية لإعداد وتصنيع أنواع مختلفة من مواد الهيكل المعدني العضوي القائمة على الغادولينيوم، وغسلها بجزيئات صغيرة من الميثانول أو الإيثانول أو الماء عن طريق الطرد المركزي، وتنشيطها في درجة حرارة عالية في ظل ظروف الفراغ لإزالة المواد الخام المتبقية غير المتفاعلة في مسام مواد الهيكل المعدني العضوي القائمة على الغادولينيوم بالكامل؛ يتم تحريك مادة الهيكل المعدني العضوي القائمة على الغادولينيوم المحضرة في الخطوة مع محلول البولي إيثيلين بسرعة عالية، أو بالموجات فوق الصوتية، أو يتم إذابة مادة الهيكل المعدني العضوي القائمة على الغادولينيوم المحضرة في الخطوة مع البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي في درجة حرارة عالية حتى تمتزج تمامًا؛ ضع مادة الهيكل المعدني العضوي القائمة على الغادولينيوم/خليط البولي إيثيلين المختلط بشكل موحد في القالب، واحصل على مادة الحماية المركبة للهيكل المعدني العضوي القائمة على الغادولينيوم المشكل عن طريق التجفيف لتعزيز تبخر المذيبات أو الضغط الساخن؛ لقد أدت مادة الحماية المركبة الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الغادولينيوم المحضرة إلى تحسين مقاومة الحرارة والخصائص الميكانيكية وقدرة الحماية الحرارية النيوترونية الفائقة بشكل كبير مقارنة بمواد البولي إيثيلين النقية.

وضع إضافة العناصر الأرضية النادرة: Gd2 (BHC) (H2O) 6، Gd (BTC) (H2O) 4 أو Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 بوليمر تنسيقي بلوري مسامي يحتوي على الغادولينيوم، والذي يتم الحصول عليه عن طريق بلمرة التنسيق لـGd (NO3) 3 • 6H2O أو GdCl3 • 6H2Oوحجم مادة الهيكل العضوي المعدني القائم على الغادولينيوم هو 50 نانومتر - 2 ميكرومتر؛ ومواد الهيكل العضوي المعدني القائم على الغادولينيوم لها أشكال مختلفة، بما في ذلك الأشكال الحبيبية أو على شكل قضيب أو على شكل إبرة.

(4) تطبيقسكانديومفي الكيمياء الإشعاعية والصناعة النووية

يتمتع معدن الإسكنديوم بثبات حراري جيد وأداء قوي في امتصاص الفلور، مما يجعله مادة لا غنى عنها في صناعة الطاقة الذرية.

براءة اختراع رئيسية: معهد بكين لتطوير المواد الجوية التابع لمؤسسة الصين لتطوير الفضاء، براءة اختراع لسبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والسكانديوم وطريقة تحضيرها

ملخص براءة اختراع: ألومنيوم زنكسبيكة المغنيسيوم والسكانديوموطريقة تحضيرها. التركيب الكيميائي ونسبة الوزن لسبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والسكانديوم هي: Mg 1.0% -2.4%، Zn 3.5% -5.5%، Sc 0.04% -0.50%، Zr 0.04% -0.35%، شوائب Cu ≤ 0.2%، Si ≤ 0.35%، Fe ≤ 0.4%، شوائب أخرى مفردة ≤ 0.05%، إجمالي الشوائب الأخرى ≤ 0.15%، والكمية المتبقية Al. تتميز هذه المادة بتركيب دقيق متجانس وأداء مستقر، مع قوة شد قصوى تزيد عن 400 ميجا باسكال، وقوة خضوع تزيد عن 350 ميجا باسكال، وقوة شد تزيد عن 370 ميجا باسكال للوصلات الملحومة. يمكن استخدام المنتجات المادية كعناصر هيكلية في صناعة الطيران والفضاء والصناعة النووية والنقل والسلع الرياضية والأسلحة وغيرها من المجالات.

عملية التصنيع: الخطوة 1، المكون وفقا لتكوين السبائك أعلاه؛ الخطوة 2: تذوب في فرن الصهر عند درجة حرارة 700 ℃ ~ 780 ℃؛ الخطوة 3: تنقية السائل المعدني المنصهر بالكامل، والحفاظ على درجة حرارة المعدن ضمن نطاق 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​أثناء التكرير؛ الخطوة 4: بعد التكرير، يجب السماح له بالوقوف ساكنًا تمامًا؛ الخطوة 5: بعد الوقوف الكامل، ابدأ الصب، والحفاظ على درجة حرارة الفرن ضمن نطاق 690 ℃ ~ 730 ℃، وسرعة الصب 15-200 مم / دقيقة؛ الخطوة 6: قم بإجراء معالجة التلدين المتجانس على سبيكة السبائك في فرن التسخين، بدرجة حرارة تجانس 400 ℃ ~ 470 ℃؛ الخطوة 7: تقشير السبيكة المتجانسة وإجراء عملية البثق الساخن لإنتاج مقاطع بسماكة جدار تزيد عن 2.0 مم. أثناء عملية البثق، يجب الحفاظ على درجة حرارة السبيكة بين 350 و410 درجات مئوية. الخطوة 8: عصر المقطع لمعالجة التبريد بالمحلول، بدرجة حرارة تتراوح بين 460 و480 درجة مئوية. الخطوة 9: بعد 72 ساعة من التبريد بالمحلول الصلب، يتم التعتيق يدويًا بالقوة. نظام التعتيق اليدوي بالقوة هو: 90-110 درجة مئوية / 24 ساعة + 170-180 درجة مئوية / 5 ساعات، أو 90-110 درجة مئوية / 24 ساعة + 145-155 درجة مئوية / 10 ساعات.

5. ملخص البحث

بشكل عام، تُستخدم العناصر الأرضية النادرة على نطاق واسع في الاندماج النووي والانشطار النووي، ولها العديد من براءات الاختراع في مجالات تقنية مثل إثارة الأشعة السينية، وتكوين البلازما، ومفاعل الماء الخفيف، ومسحوق اليورانيوم، واليورانيل، وأكسيد اليورانيوم. أما بالنسبة لمواد المفاعلات، فيمكن استخدام العناصر الأرضية النادرة كمواد هيكلية للمفاعلات، ومواد عزل سيراميكية ذات صلة، ومواد تحكم، ومواد حماية من الإشعاع النيوتروني.