تطبيق 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 مواد الوقود غير النووية.

تشير المواد النووية التي يشار إليها بشكل شائع إلى المواد المستخدمة في أجزاء مختلفة من المفاعل، والمعروفة أيضًا باسم مواد المفاعل. تشمل مواد المفاعل الوقود النووي الذي يخضع للانشطار النووي تحت قصف النيوترونات، ومواد تكسية مكونات الوقود النووي، والمبردات، ومهدئات النيوترونات، ومواد قضبان التحكم التي تمتص النيوترونات بقوة، والمواد العاكسة التي تمنع تسرب النيوترونات خارج المفاعل.

2、العلاقة المرتبطة بين الموارد الأرضية النادرة والموارد النووية

المونازيت، ويسمى أيضًا فوسفوسيريت وفوسفوسيريت، هو معدن ملحق شائع في الصخور النارية ذات الحموضة المتوسطة والصخور المتحولة. المونازيت هو أحد المعادن الرئيسية لخام المعادن الأرضية النادرة، ويوجد أيضًا في بعض الصخور الرسوبية. أحمر بني، أصفر، وأحيانا أصفر بني، مع بريق دهني، انقسام كامل، صلابة موس 5-5.5، والثقل النوعي 4.9-5.5.

المعدن الخام الرئيسي لبعض الرواسب الأرضية النادرة من النوع الغريني في الصين هو المونازيت، ويقع بشكل رئيسي في تونغتشنغ، وهوبى، ويويانغ، وهونان، وشانغراو، وجيانغشي، ومينغهاي، ويوننان، ومقاطعة خه، وقوانغشي. ومع ذلك، فإن استخراج الموارد الأرضية النادرة من النوع الغريني في كثير من الأحيان ليس له أهمية اقتصادية. غالبًا ما تحتوي الحجارة المنفردة على عناصر الثوريوم الانعكاسية وهي أيضًا المصدر الرئيسي للبلوتونيوم التجاري.

3、نظرة عامة على تطبيقات الأتربة النادرة في الاندماج النووي والانشطار النووي بناءً على التحليل البانورامي لبراءات الاختراع

بعد أن يتم توسيع الكلمات الأساسية لعناصر البحث عن الأتربة النادرة بشكل كامل، يتم دمجها مع مفاتيح التوسيع وأرقام التصنيف الخاصة بالانشطار النووي والاندماج النووي، ويتم البحث عنها في قاعدة بيانات Incopt. تاريخ البحث هو 24 أغسطس 2020. تم الحصول على 4837 براءة اختراع بعد الاندماج العائلي البسيط، وتم تحديد 4673 براءة اختراع بعد تقليل الضوضاء الاصطناعية.

يتم توزيع طلبات براءات الاختراع الأرضية النادرة في مجال الانشطار النووي أو الاندماج النووي في 56 دولة/منطقة، وتتركز بشكل رئيسي في اليابان والصين والولايات المتحدة وألمانيا وروسيا وغيرها. ويتم تطبيق عدد كبير من براءات الاختراع في شكل معاهدة التعاون بشأن البراءات ، والتي تزايدت طلبات تكنولوجيا براءات الاختراع الصينية فيها، خاصة منذ عام 2009، حيث دخلت مرحلة نمو سريع، واستمرت اليابان والولايات المتحدة وروسيا في التخطيط في هذا المجال لسنوات عديدة (الشكل 1).

الشكل 1 اتجاه تطبيق براءات الاختراع التكنولوجية المتعلقة بتطبيقات الأتربة النادرة في الانشطار النووي والاندماج النووي في البلدان/المناطق

يتبين من تحليل المواضيع التقنية أن تطبيق الأتربة النادرة في الاندماج النووي والانشطار النووي يركز على عناصر الوقود، والوميض، 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، الاندماج النووي وتفاعلات الانشطار النووي في المواد النووية مكثفة، ومتطلبات المواد صارمة. في الوقت الحاضر، مفاعلات الطاقة هي في الأساس مفاعلات انشطارية نووية، وقد يتم نشر مفاعلات الاندماج على نطاق واسع بعد 50 عامًا. تطبيقالأرض النادرةالعناصر الموجودة في المواد الهيكلية للمفاعل؛ في مجالات كيميائية نووية محددة، تُستخدم العناصر الأرضية النادرة بشكل أساسي في قضبان التحكم؛ فضلاً عن ذلك،سكانديومكما تم استخدامه في الكيمياء الإشعاعية والصناعة النووية.

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

في مفاعلات الطاقة، يكون التفاعل الأولي المتبقي للنوى الجديدة مرتفعًا نسبيًا بشكل عام. خاصة في المراحل المبكرة من دورة التزود بالوقود الأولى، عندما يكون كل الوقود النووي الموجود في القلب جديدًا، تكون نسبة التفاعل المتبقية هي الأعلى. عند هذه النقطة، الاعتماد فقط على زيادة قضبان التحكم للتعويض عن التفاعل المتبقي من شأنه أن يقدم المزيد من قضبان التحكم. يتوافق كل قضيب تحكم (أو حزمة قضبان) مع إدخال آلية قيادة معقدة. من ناحية، يؤدي ذلك إلى زيادة التكاليف، ومن ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي فتح الثقوب في رأس وعاء الضغط إلى انخفاض القوة الهيكلية. إنها ليست غير اقتصادية فحسب، بل لا يُسمح أيضًا بوجود قدر معين من المسامية والقوة الهيكلية على رأس وعاء الضغط. ومع ذلك، دون زيادة قضبان التحكم، فمن الضروري زيادة تركيز السموم الكيميائية التعويضية (مثل حمض البوريك) للتعويض عن التفاعل المتبقي. في هذه الحالة، من السهل أن يتجاوز تركيز البورون العتبة، وسيصبح معامل درجة حرارة الوسيط موجبًا.

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

(2) كمادة منشطة لتعزيز أداء المواد الهيكلية للمفاعل

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

1) .الفولاذ الأرضي النادر

يتمتع المفاعل النووي بظروف فيزيائية وكيميائية قاسية، ولكل مكون من مكونات المفاعل أيضًا متطلبات عالية من الفولاذ الخاص المستخدم. العناصر الأرضية النادرة لها تأثيرات تعديل خاصة على الفولاذ، بما في ذلك بشكل رئيسي التنقية، والتحول، والسبائك الدقيقة، وتحسين مقاومة التآكل. كما يستخدم الفولاذ المحتوي على أتربة نادرة على نطاق واسع في المفاعلات النووية.

① تأثير التنقية: أظهرت الأبحاث الحالية أن الأتربة النادرة لها تأثير تنقية جيد على الفولاذ المنصهر في درجات حرارة عالية. وذلك لأن الأتربة النادرة يمكن أن تتفاعل مع العناصر الضارة مثل الأكسجين والكبريت في الفولاذ المنصهر لتوليد مركبات ذات درجة حرارة عالية. يمكن ترسيب المركبات ذات درجة الحرارة العالية وتفريغها في شكل شوائب قبل أن يتكثف الفولاذ المنصهر، وبالتالي تقليل محتوى الشوائب في الفولاذ المنصهر.

② التحول: من ناحية أخرى، يمكن الاحتفاظ جزئيًا بالأكاسيد أو الكبريتيدات أو أوكسيسولفيدات الناتجة عن تفاعل الأتربة النادرة في الفولاذ المنصهر مع العناصر الضارة مثل الأكسجين والكبريت في الفولاذ المنصهر وتصبح شوائب من الفولاذ مع نقطة انصهار عالية . يمكن استخدام هذه الشوائب كمراكز نواة غير متجانسة أثناء تصلب الفولاذ المنصهر، وبالتالي تحسين شكل وهيكل الفولاذ.

③ السبائك الدقيقة: إذا تمت زيادة إضافة الأتربة النادرة، فسيتم إذابة الأتربة النادرة المتبقية في الفولاذ بعد اكتمال عملية التنقية والتحول المذكورة أعلاه. نظرًا لأن نصف القطر الذري للأتربة النادرة أكبر من نصف القطر الذري لذرة الحديد، فإن للأتربة النادرة نشاطًا سطحيًا أعلى. أثناء عملية تصلب الفولاذ المنصهر، يتم إثراء العناصر الأرضية النادرة عند حدود الحبوب، والتي يمكن أن تقلل بشكل أفضل من فصل عناصر الشوائب عند حدود الحبوب، وبالتالي تعزيز المحلول الصلب ولعب دور السبائك الدقيقة. من ناحية أخرى، نظرًا لخصائص تخزين الهيدروجين للأتربة النادرة، يمكنها امتصاص الهيدروجين الموجود في الفولاذ، وبالتالي تحسين ظاهرة التقصف الهيدروجيني للصلب بشكل فعال.

④ تحسين مقاومة التآكل: يمكن أن تؤدي إضافة العناصر الأرضية النادرة أيضًا إلى تحسين مقاومة الفولاذ للتآكل. وذلك لأن الأتربة النادرة لديها قدرة أعلى على التآكل الذاتي من الفولاذ المقاوم للصدأ. ولذلك، فإن إضافة الأتربة النادرة يمكن أن يزيد من احتمالية التآكل الذاتي للفولاذ المقاوم للصدأ، وبالتالي تحسين استقرار الفولاذ في الوسائط المسببة للتآكل.

2). دراسة براءات الاختراع الرئيسية

براءة الاختراع الرئيسية: براءة اختراع لتشتت الأكسيد المقوى للفولاذ منخفض التنشيط وطريقة تحضيره من قبل معهد المعادن، الأكاديمية الصينية للعلوم

ملخص براءة الاختراع: يتم توفير فولاذ منخفض التنشيط معزز بأكسيد مشتت ومناسب لمفاعلات الاندماج وطريقة تحضيره، ويتميز بأن النسبة المئوية لعناصر السبائك في الكتلة الإجمالية للفولاذ منخفض التنشيط هي: المصفوفة هي Fe، 0.08% ≥ C ≥ 0.15%، 8.0% ≥ الكروم ≥ 10.0%، 1.1% ≥ W ≥ 1.55%، 0.1% ≥ V ≥ 0.3%، 0.03% ≥ تا ≥ 0.2%، 0.1 ≥ Mn ≥ 0.6%، و 0.05% ≥ Y2O3 ≥ 0.5%.

عملية التصنيع: صهر السبائك الأم Fe-Cr-WV-Ta-Mn، وتذرية المسحوق، والطحن الكروي عالي الطاقة للسبائك الأم وجسيمات متناهية الصغر Y2O3مسحوق مختلط، واستخلاص تغليف المسحوق، وقولبة التصلب، والدرفلة على الساخن، والمعالجة الحرارية.

طريقة إضافة الأتربة النادرة: إضافة مقياس النانوY2O3جزيئات إلى مسحوق ذري من السبائك الأصلية لطحن الكرات عالي الطاقة، مع وجود وسط طحن الكرات Φ 6 و Φ 10 كرات فولاذية صلبة مختلطة، مع جو طحن كروي بنسبة 99.99٪ من غاز الأرجون، ونسبة كتلة مادة الكرة (8-) 10): 1، زمن طحن الكرة 40-70 ساعة، وسرعة الدوران 350-500 دورة/دقيقة.

3). تستخدم لصنع مواد الحماية من الإشعاع النيوتروني

① مبدأ الحماية من الإشعاع النيوتروني

النيوترونات هي مكونات النوى الذرية، مع كتلة ثابتة تبلغ 1.675 × 10-27 كجم، وهو ما يعادل 1838 مرة الكتلة الإلكترونية. يبلغ نصف قطرها حوالي 0.8 × 10-15 م، وهو مشابه في الحجم للبروتون، ويشبه γ، وتكون الأشعة غير مشحونة بالتساوي. عندما تتفاعل النيوترونات مع المادة، فإنها تتفاعل بشكل أساسي مع القوى النووية داخل النواة، ولا تتفاعل مع الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي.

مع التطور السريع للطاقة النووية وتكنولوجيا المفاعلات النووية، تم إيلاء المزيد والمزيد من الاهتمام للسلامة من الإشعاع النووي والحماية من الإشعاع النووي. من أجل تعزيز الحماية من الإشعاع للمشغلين الذين شاركوا لفترة طويلة في صيانة المعدات الإشعاعية والإنقاذ من الحوادث، فمن الأهمية العلمية والقيمة الاقتصادية الكبيرة تطوير مركبات التدريع خفيفة الوزن للملابس الواقية. الإشعاع النيوتروني هو الجزء الأكثر أهمية في إشعاع المفاعل النووي. بشكل عام، تم إبطاء معظم النيوترونات التي لها اتصال مباشر مع البشر إلى نيوترونات منخفضة الطاقة بعد تأثير التدريع النيوتروني للمواد الهيكلية داخل المفاعل النووي. سوف تصطدم النيوترونات منخفضة الطاقة بالنوى ذات العدد الذري الأقل بشكل مرن وتستمر في الاعتدال. سيتم امتصاص النيوترونات الحرارية المعتدلة بواسطة عناصر ذات مقاطع عرضية أكبر لامتصاص النيوترونات، وفي النهاية سيتم تحقيق حماية النيوترونات.

② دراسة براءات الاختراع الرئيسية

خصائص الهجين المسامية وغير العضويةعنصر ارضي نادرالجادولينيومتعمل المواد الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على زيادة توافقها مع البولي إيثيلين، مما يعزز المواد المركبة المركبة بحيث تحتوي على محتوى أعلى من الجادولينيوم وتشتت الجادولينيوم. سيؤثر المحتوى العالي من الجادولينيوم والتشتت بشكل مباشر على أداء التدريع النيوتروني للمواد المركبة.

براءة الاختراع الرئيسية: معهد خفي لعلوم المواد، الأكاديمية الصينية للعلوم، براءة اختراع لمادة التدريع المركبة ذات الإطار العضوي القائمة على الجادولينيوم وطريقة تحضيرها

ملخص براءة الاختراع: مادة التدريع المركبة ذات الهيكل المعدني العضوي القائمة على الجادولينيوم هي مادة مركبة يتم تشكيلها عن طريق الخلطالجادولينيوممادة هيكلية عضوية معدنية أساسها البولي إيثيلين بنسبة وزن 2:1:10 وتشكيلها من خلال التبخر بالمذيبات أو الضغط الساخن. تتمتع مواد التدريع المركبة ذات الهيكل العظمي المعدني القائم على الجادولينيوم بثبات حراري عالي وقدرة على التدريع الحراري للنيوترونات.

عملية التصنيع: اختيار مختلفمعدن الجادولينيومالأملاح والروابط العضوية لتحضير وتصنيع أنواع مختلفة من المواد الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الجادولينيوم، وغسلها بجزيئات صغيرة من الميثانول، والإيثانول، أو الماء عن طريق الطرد المركزي، وتنشيطها عند درجة حرارة عالية تحت ظروف الفراغ لإزالة المواد الخام غير المتفاعلة المتبقية بشكل كامل. في مسام المواد الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الجادولينيوم؛ يتم تقليب مادة الهيكل المعدني العضوي القائمة على الجادولينيوم المحضرة خطوة بخطوة باستخدام محلول البولي إيثيلين بسرعة عالية، أو بالموجات فوق الصوتية، أو يتم خلط مادة الهيكل المعدني العضوي القائمة على الجادولينيوم المحضرة خطوة بخطوة مع البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي عند درجة حرارة عالية حتى تمتزج تمامًا؛ ضع مادة الهيكل العظمي العضوي المعدنية القائمة على الجادولينيوم المختلطة بشكل موحد / خليط البولي إيثيلين في القالب، واحصل على مادة التدريع المركبة للهيكل العظمي العضوي المعدنية القائمة على الجادولينيوم عن طريق التجفيف لتعزيز تبخر المذيبات أو الضغط الساخن؛ لقد حسنت مادة التدريع المركبة الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الجادولينيوم بشكل كبير مقاومة الحرارة، والخواص الميكانيكية، وقدرة التدريع النيوتروني الحراري الفائقة مقارنة بمواد البولي إيثيلين النقية.

وضع إضافة الأتربة النادرة: Gd2 (BHC) (H2O) 6، Gd (BTC) (H2O) 4 أو Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 بوليمر تنسيق بلوري مسامي يحتوي على الجادولينيوم، والذي يتم الحصول عليه عن طريق بلمرة التنسيق لـGd (NO3) 3 • 6H2O أو GdCl3 • 6H2Oويجند الكربوكسيل العضوي. حجم المادة الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الجادولينيوم هو 50 نانومتر -2 ميكرومتر؛ المواد الهيكلية العضوية المعدنية القائمة على الجادولينيوم 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 الاختراع الرئيسية: معهد بكين لتطوير الفضاء الجوي الصيني لمواد الطيران، براءة اختراع لسبائك سكانديوم الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم وطريقة تحضيرها

ملخص براءة الاختراع: زنك ألومنيومسبائك المغنيسيوم سكانديوموطريقة تحضيره . التركيب الكيميائي ونسبة الوزن لسبائك سكانديوم الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم 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%، الحديد ≥ 0.4%، الشوائب الأخرى مفردة ≥ 0.05%، مجموع الشوائب الأخرى ≥ 0.15%، والكمية المتبقية هي Al. البنية المجهرية لمادة سبائك سكانديوم الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم موحدة وأداءها مستقر، مع قوة شد نهائية تزيد عن 400MPa، وقوة خضوع تزيد عن 350MPa، وقوة شد تزيد عن 370MPa للمفاصل الملحومة. يمكن استخدام المنتجات المادية كعناصر هيكلية في مجال الطيران والصناعة النووية والنقل والسلع الرياضية والأسلحة وغيرها من المجالات.

عملية التصنيع: الخطوة 1، المكونات وفقًا لتركيبة السبائك المذكورة أعلاه؛ الخطوة 2: الذوبان في فرن الصهر عند درجة حرارة 700 درجة مئوية ~ 780 درجة مئوية؛ الخطوة 3: صقل السائل المعدني المنصهر بالكامل، والحفاظ على درجة حرارة المعدن في حدود 700 درجة مئوية ~ 750 درجة مئوية أثناء التكرير؛ الخطوة 4: بعد التكرير، يجب تركه ثابتًا تمامًا؛ الخطوة 5: بعد الوقوف بشكل كامل، ابدأ الصب، وحافظ على درجة حرارة الفرن في نطاق 690 درجة مئوية ~ 730 درجة مئوية، وسرعة الصب هي 15-200 مم / دقيقة؛ الخطوة 6: إجراء معالجة التلدين المتجانسة على سبيكة السبائك في فرن التسخين، مع درجة حرارة تجانس تبلغ 400 درجة مئوية ~ 470 درجة مئوية؛ الخطوة 7: قشر السبيكة المتجانسة وقم بإجراء البثق الساخن لإنتاج مقاطع بسمك جدار يزيد عن 2.0 مم. أثناء عملية البثق، يجب الحفاظ على قطعة الخام عند درجة حرارة تتراوح من 350 درجة مئوية إلى 410 درجة مئوية؛ الخطوة 8: ضغط الملف لمعالجة تبريد المحلول، مع درجة حرارة المحلول 460-480 درجة مئوية؛ الخطوة 9: بعد 72 ساعة من إخماد المحلول الصلب، قم بفرض التعتيق يدويًا. نظام التعمير بالقوة اليدوية 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 مخططات براءات الاختراع في اتجاهات فنية مثل إثارة الأشعة السينية، وتكوين البلازما، ومفاعل الماء الخفيف، واليورانيوم العابر، واليورانيل، ومسحوق الأكسيد. أما بالنسبة لمواد المفاعلات، فيمكن استخدام الأتربة النادرة كمواد هيكلية للمفاعلات والمواد العازلة الخزفية ذات الصلة، ومواد التحكم، ومواد الحماية من الإشعاع النيوتروني.