تطبيق العناصر الأرضية النادرة في المواد النووية

1 、 تعريف المواد النووية

بمعنى واسع ، المواد النووية هي المصطلح العام للمواد المستخدمة حصريًا في الصناعة النووية والبحث العلمي النووي ، بما في ذلك الوقود النووي والمواد الهندسية النووية ، أي مواد الوقود غير النووية.

تشير المشار إليها عادة إلى المواد النووية بشكل رئيسي إلى المواد المستخدمة في أجزاء مختلفة من المفاعل ، والمعروفة أيضًا باسم مواد المفاعل. تشمل مواد المفاعل الوقود النووي الذي يخضع للانشطار النووي تحت القصف النيوتروني ، ومواد الكسوة لمكونات الوقود النووي ، والمبردات ، ومشرفات النيوترونات (المشرفين) ، ومواد قضيب التحكم التي تمتص بقوة النيوترونات ، والمواد العاكسة التي تمنع تسرب النيوترونات خارج المفاعل.

2 、 العلاقة المرتبطة بـ CO بين الموارد الأرضية النادرة والموارد النووية

مونازيت ، التي تسمى أيضًا الفوسفوكريت والفوسفوكريت ، هي معدن ملحق شائع في الصخور النارية الحمضية الوسيطة والصخور المتحولة. مونازيت هي واحدة من المعادن الرئيسية لخام المعادن الأرضية النادرة ، كما أنه موجود في بعض الصخور الرسوبية. اللون الأحمر البني والأصفر والأصفر البني في بعض الأحيان ، مع بريق دهني ، انشقاق كامل ، صلابة MOHS من 5-5.5 ، والجاذبية المحددة من 4.9-5.5.

المعدن الرئيسي لبعض رواسب الأرض النادرة في الصين هو المونازيت ، ويقع بشكل رئيسي في تونغشنغ ، هوباي ، يويانغ ، هونان ، شانجرو ، جيانغشي ، مينغهاي ، يونان ، مقاطعة ، قوانغشي. ومع ذلك ، فإن استخراج الموارد الأرضية النادرة من نوع البراغير لا يكون له أهمية اقتصادية. غالبًا ما تحتوي الأحجار الانفرادية على عناصر ثوريوم انعكاسية وهي أيضًا المصدر الرئيسي للبلوتونيوم التجاري.

3 、 نظرة عامة على تطبيق الأرض النادرة في الانصهار النووي والانشطار النووي بناءً على تحليل براءات الاختراع البانورامية

بعد توسيع الكلمات الرئيسية لعناصر البحث عن الأرض النادرة بالكامل ، يتم دمجها مع مفاتيح التوسع وأرقام التصنيف من الانشطار النووي والانصهار النووي ، وتم البحث في قاعدة بيانات INCOPT. تاريخ البحث هو 24 أغسطس ، 2020. تم الحصول على 4837 براءة اختراع بعد دمج الأسرة البسيط ، وتم تحديد 4673 براءة اختراع بعد الحد من الضوضاء الاصطناعية.

يتم توزيع تطبيقات براءات الاختراع الأرضية النادرة في مجال الانشطار النووي أو الانصهار النووي في 56 دولة/منطقة ، تتركز بشكل رئيسي في اليابان ، الصين ، الولايات المتحدة ، ألمانيا وروسيا ، إلخ 1).

الشكل 1 الشكل 1 اتجاه براءات الاختراع التكنولوجية المتعلقة بتطبيق الأرض النادرة في الانشطار النووي والانصهار النووي في البلدان/المناطق

يمكن أن نرى من تحليل الموضوعات الفنية أن تطبيق الأرض النادرة في الانصهار النووي والانشطار النووي يركز على عناصر الوقود ، ومقاتلات التلألؤ ، وكاشفات الإشعاع ، والأكتينيدات ، والبلازما ، والمفاعلات النووية ، ومواد التدريع ، وامتصاص النيوترونات وغيرها من الاتجاهات الفنية.

4 、 تطبيقات محددة وأبحاث براءات الاختراع الرئيسية للعناصر الأرضية النادرة في المواد النووية

من بينها ، الانصهار النووي وردود الفعل الانشطار النووي في المواد النووية مكثفة ، ومتطلبات المواد صارمة. في الوقت الحاضر ، تكون مفاعلات الطاقة هي مفاعلات الانشطار النووية بشكل أساسي ، وقد تُعرف مفاعلات الانصهار على نطاق واسع بعد 50 عامًا. تطبيقأرض نادرةعناصر في المواد الهيكلية للمفاعل ؛ في الحقول الكيميائية النووية المحددة ، تستخدم العناصر الأرضية النادرة بشكل أساسي في قضبان التحكم ؛ فضلاً عن ذلك،Scandiumكما تم استخدامه في الكيمياء الإشعاعية والصناعة النووية.

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

في مفاعلات الطاقة ، تكون التفاعل المتبقي الأولي للنوى الجديدة مرتفعة بشكل عام. خاصة في المراحل المبكرة من دورة التزود بالوقود الأولى ، عندما تكون جميع الوقود النووي في القلب جديدًا ، فإن التفاعل المتبقي هو الأعلى. في هذه المرحلة ، فإن الاعتماد فقط على قضبان التحكم المتزايدة للتعويض عن التفاعل المتبقي من شأنه أن يقدم المزيد من قضبان التحكم. كل قضيب تحكم (أو حزمة قضيب) يتوافق مع إدخال آلية قيادة معقدة. من ناحية ، يزيد هذا التكاليف ، ومن ناحية أخرى ، يمكن أن يؤدي فتح الثقوب في رأس وعاء الضغط إلى انخفاض في القوة الهيكلية. ليس فقط هو غير اقتصادي ، ولكن لا يُسمح له أيضًا أن يكون لديه قدر معين من المسامية والقوة الهيكلية على رأس وعاء الضغط. ومع ذلك ، دون زيادة قضبان التحكم ، من الضروري زيادة تركيز السموم التعويضية الكيميائية (مثل حمض البوريك) للتعويض عن التفاعل المتبقي. في هذه الحالة ، من السهل على تركيز البورون أن يتجاوز العتبة ، وسيصبح معامل درجة حرارة المشرف إيجابية.

لتجنب المشكلات المذكورة أعلاه ، يمكن استخدام مزيج من السموم القابلة للاحتراق وقضبان التحكم والتحكم في التعويض الكيميائي بشكل عام للتحكم.

（2） باعتباره dopant لتعزيز أداء المواد الهيكلية للمفاعل

تتطلب المفاعلات المكونات الهيكلية وعناصر الوقود أن يكون لها مستوى معين من القوة ، ومقاومة التآكل ، والاستقرار الحراري العالي ، مع منع منتجات الانشطار من دخول المبرد.

1).

يحتوي المفاعل النووي على ظروف مادية وكيميائية متطرفة ، وكل مكون من المفاعل لديه أيضًا متطلبات عالية للصلب الخاص المستخدم. العناصر الأرضية النادرة لها تأثيرات تعديل خاصة على الصلب ، بما في ذلك التنقية ، والتحول ، والتحول الدقيق ، وتحسين مقاومة التآكل. تستخدم الأرض النادرة التي تحتوي على الفولاذ على نطاق واسع في المفاعلات النووية.

① تأثير التنقية: أظهرت الأبحاث الحالية أن الأرض النادرة لها تأثير تنقية جيد على الصلب المنصهر في درجات حرارة عالية. وذلك لأن الأرض النادرة يمكن أن تتفاعل مع عناصر ضارة مثل الأكسجين والكبريت في الفولاذ المنصهر لتوليد مركبات درجات الحرارة العالية. يمكن ترسيب المركبات ذات درجة الحرارة العالية وتفريغها في شكل شوائب قبل أن تتكثف الصلب المنصهر ، مما يقلل من محتوى الشوائب في الصلب المنصهر.

② التحول: من ناحية أخرى ، يمكن الاحتفاظ بأكسيدات أو كبريتيدات أو أوكسيلفويدات ناتجة عن تفاعل الأرض النادرة في الفولاذ المنصهر بعناصر ضارة مثل الأكسجين والكبريت جزئيًا في الفولاذ المنصهر وتصبح شوائب من الفولاذ بنقطة انصهار عالية. يمكن استخدام هذه الادراج كمراكز نووية غير متجانسة أثناء تصلب الفولاذ المنصهر ، وبالتالي تحسين شكل وبنية الصلب.

③ microalloying: إذا زادت إضافة الأرض النادرة ، فسيتم إذابة الأرض النادرة المتبقية في الصلب بعد الانتهاء من التنقية أعلاه والتحول. نظرًا لأن نصف القطر الذري للأرض النادرة أكبر من ذرة الحديد ، فإن الأرض النادرة لها نشاط سطح أعلى. أثناء عملية التصلب للفولاذ المنصهر ، يتم تخصيب العناصر الأرضية النادرة على حدود الحبوب ، والتي يمكن أن تقلل بشكل أفضل من الفصل بين عناصر الشوائب عند حدود الحبوب ، وبالتالي تعزيز الحل الصلب ولعب دور التهاب الدقيقة. من ناحية أخرى ، نظرًا لخصائص تخزين الهيدروجين للأرض النادرة ، يمكن أن تمتص الهيدروجين في الصلب ، وبالتالي تحسين ظاهرة الفولاذ الهيدروجين بشكل فعال.

④ تحسين مقاومة التآكل: يمكن أن تؤدي إضافة عناصر أرضية نادرة أيضًا إلى تحسين مقاومة التآكل للفولاذ. وذلك لأن الأرض النادرة لديها إمكانات تآكل ذاتي أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ. لذلك ، فإن إضافة الأرض النادرة يمكن أن تزيد من إمكانات التآكل الذاتي للفولاذ المقاوم للصدأ ، مما يؤدي إلى تحسين استقرار الصلب في الوسائط المسببة للتآكل.

2). دراسة براءة الاختراع الرئيسية

براءة الاختراع الرئيسية: اختراع براءة اختراع تشتت أكسيد تعزز الصلب المنخفض التنشيط وطريقة إعداده من قبل معهد المعادن ، الأكاديمية الصينية للعلوم

خلاصة براءات الاختراع: المقدمة هو تشتت تشتت أكسيد يعزز الفولاذ المنخفض مناسبة لمفاعلات الانصهار وطريقة إعداده ، ويتميز بأن النسبة المئوية لعناصر السبائك في إجمالي الكتلة من الصلب التنشيط المنخفض هي: المصفوفة هي FE ، 0.08 ٪ ≤ c ≤ 0.15 ٪ ، 8.0 ٪ ≤ 10.0 ٪ ، ≤ ta ≤ 0.2 ٪ ، 0.1 ≤ mn ≤ 0.6 ٪ ، و 0.05 ٪ ≤ Y2O3 ≤ 0.5 ٪.

عملية التصنيع: صهر أم أم سبيكة الأم FE-CR-WV-TA-MN ، وذرية مسحوق ، وطحن الكرة عالي الطاقة للسبائك الأم وy2O3 الجسيمات النانويةمسحوق مختلط ، استخراج المسحوق ، صب التصلب ، المتداول الساخن ، والمعالجة الحرارية.

طريقة إضافة الأرض النادرة: إضافة النانوY2O3الجسيمات إلى المسحوق الذري للسبائك الأصل لطحن الكرة عالي الطاقة ، مع وسط طحن الكرة هو φ 6 و φ 10 كرات فولاذية صلبة مختلطة ، مع جو طحن الكرة من 99.99 ٪ غاز الأرجون ، ونسبة كتلة مواد الكرة (8-10): 1 ، وقت طحن الكرة من 40-70 ساعة ، وسرعة دورية من 350-500 R/MIN.

3）.

① مبدأ حماية إشعاع النيوترون

النيوترونات هي مكونات من النوى الذرية ، مع كتلة ثابتة من 1.675 × 10-27 كجم ، وهو 1838 ضعف الكتلة الإلكترونية. يبلغ نصف قطرها حوالي 0.8 × 10-15 م ، مماثلة في الحجم مع البروتون ، على غرار الأشعة γ غير مشحونة على قدم المساواة. عندما تتفاعل النيوترونات مع المادة ، فإنها تتفاعل بشكل أساسي مع القوى النووية داخل النواة ، ولا تتفاعل مع الإلكترونات في القشرة الخارجية.

مع التطور السريع للطاقة النووية وتكنولوجيا المفاعل النووي ، تم إيلاء المزيد والمزيد من الاهتمام لسلامة الإشعاع النووي وحماية الإشعاع النووي. من أجل تعزيز حماية الإشعاع للمشغلين الذين شاركوا في صيانة معدات الإشعاع وإنقاذ الحوادث لفترة طويلة ، يكون له أهمية علمية كبيرة وقيمة اقتصادية لتطوير مركبات التدريع الخفيفة للوزن للملابس الوقائية. الإشعاع النيوتروني هو الجزء الأكثر أهمية من إشعاع المفاعل النووي. بشكل عام ، تم إبطاء معظم النيوترونات على اتصال مباشر مع البشر إلى النيوترونات منخفضة الطاقة بعد تأثير التدريع النيوتروني للمواد الهيكلية داخل المفاعل النووي. سوف تصطدم النيوترونات منخفضة الطاقة مع النوى مع انخفاض عدد ذري ​​بشكل مرن وتستمر في الإشراف. سيتم امتصاص النيوترونات الحرارية المعتدلة بواسطة عناصر ذات مقاطع عرضية لامتصاص النيوترونات الأكبر ، وسيتم تحقيق التدريع النيوتروني أخيرًا.

② دراسة براءات الاختراع الرئيسية

الخصائص الهجينة المسامية والعضوية غير العضوية منعنصر أرض نادرالجادولينيومتزيد مواد الهيكل العظمي المعدني المعدني من توافقها مع البولي إيثيلين ، مما يعزز المواد المركبة المصنفة للحصول على محتوى الجادولينيوم أعلى وتشتت الجادولينيوم. سيؤثر محتوى الجادولينيوم والتشتت بشكل مباشر على أداء التدريع النيوتروني للمواد المركبة.

براءة الاختراع الرئيسية: معهد هيفي لعلوم المواد ، الأكاديمية الصينية للعلوم ، براءة اختراع اختراع من مواد التدريع العضوية القائمة على الجادولينيوم

براءات الاختراع التجريدية: مادة التدريع المعدنية المعدنية القائمة على الجادولينيوم هي مادة مركبة تتكون من الخلطالجادولينيوممادة الهيكل العظمي المعدني المعدني مع البولي إيثيلين في نسبة الوزن من 2: 1: 10 وتشكيلها من خلال تبخر المذيبات أو الضغط الساخن. مواد التدريع المركب الهيكلية المعدنية المعدنية القائمة على الجادولينيوم لها استقرار حراري عالي وقدرة على التدريع النيوتروني الحراري.

عملية التصنيع: اختيار مختلفالجادولينيوم المعدنالأملاح والروابط العضوية لتحضير وتوليف أنواع مختلفة من مواد الهيكل العظمي المعدني المعدني القائم على الجادولينيوم ، وغسلها بجزيئات صغيرة من الميثانول ، أو الإيثانول ، أو الماء عن طريق الطرد المركزي ، وتنشيطها في درجة حرارة عالية في ظل الظروف الفراغية لإزالة المواد الخام غير المتبقية بالكامل في مساحات الجادوليون. يتم تحريك مادة الهيكل العظمي العضوي القائم على الجادولينيوم المعدة في خطوة مع غسول البولي إيثيلين بسرعة عالية ، أو الموجات فوق الصوتية ، أو مادة الهيكل العظمي العضوي القائم على الجادولينيوم المخلوطة في خطوة تمتزج مع البولي إيثيلين الجزيئي العالي عالية في درجة حرارة عالية حتى يتم خلطها بالكامل ؛ ضع مزيجًا من الهيكل العظمي المعدني المعدني المعدني في القالب في القالب ، واحصل على مادة محمية مركبة للهيكل العظمي المعدني المعدني القائم على الجادولينيوم عن طريق التجفيف لتعزيز تبخر المذيبات أو الضغط الساخن ؛ لقد أدت مادة التدريع المركب المعدنية الجادولينيوم المعدنية المعدلة إلى تحسين مقاومة الحرارة بشكل كبير ، والخصائص الميكانيكية ، وقدرة التدريع النيوتروني الحراري المتفوقة على مواد البولي إيثيلين النقية.

وضع إضافة الأرض النادر: GD2 (BHC) (H2O) 6 ، GD (BTC) (H2O) 4 أو GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 بوليمر تبلور مسامي يحتويGD (NO3) 3 • 6H2O أو GDCL3 • 6H2Oوالكربوكسيل العضوي يجند. حجم مادة الهيكل العظمي المعدني القائم على الجادولينيوم هو 50nm-2 μ m ； مواد الهيكل العظمي المعدني المعدني القائم على الجادولينيوم لها أشكال مختلفة ، بما في ذلك الأشكال الحبيبية أو على شكل قضيب أو على شكل إبرة.

（4） تطبيقScandiumفي الكيمياء الإشعاعية والصناعة النووية

يتمتع Scandium Metal باستقرار حراري جيد وأداء امتصاص الفلور القوي ، مما يجعله مادة لا غنى عنها في صناعة الطاقة الذرية.

براءة الاختراع الرئيسية: تنمية الفضاء الجوي الصينية معهد بكين للمواد الطيران ، براءة اختراع اختراع لسبائك مغنيسيوم الزنك من الألومنيوم وطريقة تحضيرها

خلاصة براءات الاختراع: زنك الألمنيومسبيكة سكانديوم المغنيسيوموطريقة التحضير. التركيب الكيميائي ونسبة الوزن المئوية لسبائك سكونانك مغنيسيوم من الألومنيوم هي: Mg 1.0 ٪ -2.4 ٪ ، Zn 3.5 ٪ -5.5 ٪ ، SC 0.04 ٪ -0.50 ٪ ، Zr 0.04 ٪ -0.35 ٪ ، إجمالي الشفقة. 0.15 ٪ ، والمبلغ المتبقي هو آل. إن البنية المجهرية لسبائك سكلالة سكانسيوم الزنك المصنوعة من الألومنيوم هذه موحدة وأدائها مستقر ، مع قوة شد نهائية تزيد عن 400 ميجا باسكال ، وقوة إنتاجية تزيد عن 350 ميجا باسكال ، وقوة شد تزيد عن 370 ميجا باسا للمفاصل الملحومة. يمكن استخدام المنتجات المادية كعناصر هيكلية في الفضاء والصناعة النووية والنقل والسلع الرياضية والأسلحة وغيرها من المجالات.

عملية التصنيع: الخطوة 1 ، المكون وفقًا لتكوين السبائك المذكورة أعلاه ؛ الخطوة 2: تذوب في فرن الصهر عند درجة حرارة 700 ℃ ~ 780 ℃ ؛ الخطوة 3: صقل السائل المعدني المذاب بالكامل ، والحفاظ على درجة حرارة المعدن في حدود 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​أثناء التكرير ؛ الخطوة 4: بعد التكرير ، يجب السماح له بالكامل بالوقوف صامدًا ؛ الخطوة 5: بعد الوقوف الكامل ، ابدأ في الصب ، والحفاظ على درجة حرارة الفرن في حدود 690 ℃ ~ 730 ℃ ، وسرعة الصب تتراوح بين 15 و 200 ملم/دقيقة ؛ الخطوة 6: إجراء علاج تجانس الصلب على سبيكة السبائك في فرن التدفئة ، مع درجة حرارة التجانس 400 ℃ ~ 470 ℃ ؛ الخطوة 7: قشر السبل المتجانس وأداء البثق الساخن لإنتاج ملفات تعريف بسمك جدار تزيد عن 2.0 مم. أثناء عملية البثق ، يجب الحفاظ على البليت عند درجة حرارة 350 ℃ إلى 410 ℃ ؛ الخطوة 8: الضغط على الملف الشخصي لعلاج تبريد المحلول ، مع درجة حرارة محلول 460-480 ℃ ؛ الخطوة 9: بعد 72 ساعة من تبريد المحلول الصلب ، فرض الشيخوخة يدويًا. نظام شيخوخة القوة اليدوية هو: 90 ~ 110 ℃/24 ساعة+170 ~ 180 ℃/5 ساعات ، أو 90 ~ 110 ℃/24 ساعة+145 ~ 155 ℃/10 ساعات.

5 、 ملخص البحث

على العموم ، يتم استخدام الأرض النادرة على نطاق واسع في الانصهار النووي والانشطار النووي ، ولديها العديد من تخطيطات براءات الاختراع في الاتجاهات الفنية مثل الإثارة بالأشعة السينية ، وتشكيل البلازما ، ومفاعل الماء الخفيف ، والمرورانيوم ، ومسحوق اليورانيل والأكسيد. بالنسبة لمواد المفاعل ، يمكن استخدام الأرض النادرة كمواد هيكلية للمفاعل ومواد عزل السيراميك ذات الصلة ، ومواد التحكم ومواد حماية إشعاع النيوترون.