1、 Skilgreining á kjarnorkuefnum
Í víðum skilningi er kjarnorkuefni almennt hugtak fyrir efni sem eingöngu eru notuð í kjarnorkuiðnaði og kjarnorkuvísindarannsóknum, þar með talið kjarnorkueldsneyti og kjarnorkuverkfræðiefni, þ.e. efni sem ekki eru kjarnorkueldsneyti.
Almennt vísað til kjarnorkuefna vísar aðallega til efna sem notuð eru í ýmsum hlutum kjarnaofnsins, einnig þekkt sem kjarnaefni. Efni til kjarnaofna eru meðal annars kjarnorkueldsneyti sem verður fyrir kjarnaklofnun við nifteindasprengjuárás, hlífðarefni fyrir kjarnaeldsneytisíhluti, kælivökva, nifteindastýringar (moderators), efni í stjórnstöngum sem gleypa nifteindir mjög og endurskinsefni sem koma í veg fyrir nifteindaleka utan kjarnaofnsins.
2、 Samtengd tengsl milli sjaldgæfra jarðarauðlinda og kjarnorkuauðlinda
Mónasít, einnig kallað phosphocerite og phosphocerite, er algengt aukasteinefni í millisýrugjóskubergi og myndbreyttu bergi. Mónasít er eitt helsta steinefnið í sjaldgæfum jarðmálmgrýti og er einnig til í sumu setbergi. Brúnrautt, gult, stundum brúngult, með feita ljóma, heill klofningur, Mohs hörku 5-5,5 og eðlisþyngd 4,9-5,5.
Helsta steinefni sumra sjaldgæfra jarðvegsútfellinga í Kína er mónasít, aðallega staðsett í Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He County, Guangxi. Hins vegar hefur vinnsla sjaldgæfra jarðaauðlinda af staðsetningargerð oft ekki efnahagslega þýðingu. Eintómir steinar innihalda oft endurspeglandi tóríum þætti og eru einnig aðal uppspretta plútóníums í atvinnuskyni.
3、 Yfirlit yfir notkun sjaldgæfra jarðar í kjarnasamruna og kjarnaklofnun byggt á víðsýni einkaleyfisgreiningar
Eftir að lykilorð sjaldgæfra jarðarleitarþátta hafa verið stækkuð að fullu eru þau sameinuð stækkunarlykla og flokkunarnúmerum kjarnaklofnunar og kjarnasamruna og leitað í gagnagrunninum Incopt. Leitardagur er 24. ágúst 2020. 4837 einkaleyfi fengust eftir einfaldan fjölskyldusamruna og 4673 einkaleyfi voru ákvörðuð eftir gervi hávaðaminnkun.
Umsóknir um einkaleyfi á sjaldgæfum jörðum á sviði kjarnaklofnunar eða kjarnasamruna eru dreift í 56 löndum/svæðum, aðallega í Japan, Kína, Bandaríkjunum, Þýskalandi og Rússlandi o.fl. Töluverður fjöldi einkaleyfa er sóttur í formi PCT , þar af hefur kínverska einkaleyfistækniumsóknum fjölgað, sérstaklega síðan 2009, á örum vaxtarstigi, og Japan, Bandaríkin og Rússland hafa haldið áfram að útbúa á þessu sviði í mörg ár (Mynd 1).
Mynd 1 Umsókn um tækni einkaleyfi sem tengjast notkun sjaldgæfra jarðar í kjarnaklofnun og kjarnasamruna í löndum/svæðum
Það má sjá af greiningu á tæknilegum þemum að beiting sjaldgæfra jarðvegs í kjarnasamruna og kjarnaklofnun beinist að eldsneytisþáttum, gljáa, geislaskynjara, aktíníðum, plasma, kjarnakljúfum, hlífðarefnum, nifteindagleypni og öðrum tæknilegum leiðbeiningum.
4、 Sérstakar umsóknir og helstu einkaleyfisrannsóknir á sjaldgæfum jarðefnum í kjarnaefnum
Meðal þeirra eru kjarnasamruni og kjarnaklofnunarhvörf í kjarnaefnum mikil og kröfur um efni strangar. Sem stendur eru rafkljúfar aðallega kjarnakljúfar og samrunaofnar gætu verið vinsælir í stórum stíl eftir 50 ár. Umsókn umsjaldgæf jörðþættir í byggingarefni kjarnaofna; Á sérstökum kjarnorkuefnasviðum eru sjaldgæf jörð frumefni aðallega notuð í stjórnstangir; Þar að auki,hneykslihefur einnig verið notað í geislaefnafræði og kjarnorkuiðnaði.
（1） Sem brennanlegt eitur eða stjórnstöng til að stilla nifteindastig og mikilvæga stöðu kjarnaofns
Í aflkjarnakljúfum er upphafleg afgangshvarfvirkni nýrra kjarna almennt tiltölulega mikil. Sérstaklega á fyrstu stigum fyrstu áfyllingarlotunnar, þegar allt kjarnorkueldsneyti í kjarnanum er nýtt, er hvarfvirknin sem eftir er hæst. Á þessum tímapunkti, að treysta eingöngu á að auka stýristangir til að vega upp á móti afgangs hvarfgirni, myndi kynna fleiri stýristangir. Hver stjórnstöng (eða stangarbúnt) samsvarar innleiðingu flókins akstursbúnaðar. Annars vegar eykur þetta kostnað og hins vegar getur opnun á holum í haus þrýstihylkisins leitt til minnkunar á styrkleika burðarvirkis. Það er ekki aðeins óhagkvæmt, heldur er það ekki leyfilegt að hafa ákveðið magn af gropi og burðarstyrk á haus þrýstihylkisins. Hins vegar, án þess að auka stjórnstangirnar, er nauðsynlegt að auka styrk efnajöfnunar eiturefna (eins og bórsýru) til að bæta upp hvarfvirkni sem eftir er. Í þessu tilviki er auðvelt fyrir bórstyrkinn að fara yfir þröskuldinn og hitastuðull stjórnandans verður jákvæður.
Til að forðast fyrrnefnd vandamál er almennt hægt að nota blöndu af eldfimum eiturefnum, stjórnstangum og efnabótaeftirliti til að stjórna.
（2） Sem íblöndunarefni til að auka afköst byggingarefna í reactor
Reactors krefjast þess að byggingaríhlutir og eldsneytisþættir hafi ákveðna styrkleika, tæringarþol og mikinn varmastöðugleika, á sama tíma og kemur í veg fyrir að klofningsafurðir komist inn í kælivökvann.
1) .Sjaldan jarðstál
Kjarnorkuofninn hefur miklar eðlis- og efnafræðilegar aðstæður og hver hluti kjarnaofnsins hefur einnig miklar kröfur til sérstálsins sem notað er. Sjaldgæf jörð frumefni hafa sérstök breytingaáhrif á stál, aðallega þar með talið hreinsun, myndbreytingu, örblöndun og endurbætur á tæringarþol. Stál sem inniheldur sjaldgæft jarðveg er einnig mikið notað í kjarnakljúfum.
① Hreinsunaráhrif: Núverandi rannsóknir hafa sýnt að sjaldgæfar jarðefni hafa góð hreinsunaráhrif á bráðið stál við háan hita. Þetta er vegna þess að sjaldgæfar jarðir geta brugðist við skaðlegum frumefnum eins og súrefni og brennisteini í bráðnu stáli til að mynda háhitasambönd. Hægt er að fella út háhitasamböndin og losa þau í formi innfellinga áður en bráðna stálið þéttist og þannig minnkar óhreinindi í bráðnu stálinu.
② Umbreyting: á hinn bóginn geta oxíð, súlfíð eða oxýsúlfíð sem myndast við hvarf sjaldgæfra jarðvegs í bráðnu stáli við skaðleg frumefni eins og súrefni og brennisteini haldist að hluta til í bráðnu stáli og orðið að innihaldi stáls með hátt bræðslumark. . Þessar innfellingar geta verið notaðar sem ólíkar kjarnakjörnarstöðvar við storknun bráðna stálsins og bæta þannig lögun og uppbyggingu stáls.
③ Örblendi: ef viðbótin á sjaldgæfum jörðu er aukin enn frekar, mun sú sjaldgæfa jörð sem eftir er leysast upp í stálinu eftir að ofangreindri hreinsun og myndbreytingu er lokið. Þar sem atómradíus sjaldgæfra jarðar er stærri en járnatóms hefur sjaldgæf jörð meiri yfirborðsvirkni. Í storknunarferli bráðnu stáls eru sjaldgæfar jarðefnisþættir auðgaðir við kornamörkin, sem geta betur dregið úr aðskilnaði óhreinindaþátta við kornamörkin og styrkt þannig fasta lausnina og gegnt hlutverki örblöndunar. Á hinn bóginn, vegna vetnisgeymslueiginleika sjaldgæfra jarða, geta þær tekið upp vetni í stáli og þar með bætt vetnisbrotið fyrirbæri stáls í raun.
④ Að bæta tæringarþol: Að bæta við sjaldgæfum jarðefnum getur einnig bætt tæringarþol stáls. Þetta er vegna þess að sjaldgæfar jarðefni hafa meiri sjálftæringargetu en ryðfríu stáli. Þess vegna getur viðbót sjaldgæfra jarðefna aukið tæringargetu ryðfríu stáli og þar með bætt stöðugleika stáls í ætandi miðlum.
2). Lykil einkaleyfisrannsókn
Lykil einkaleyfi: uppfinninga einkaleyfi á oxíðdreifingarstyrktu lágvirkjastáli og undirbúningsaðferð þess af Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences
Útdráttur einkaleyfa: Gefið er til oxíðdreifingarstyrkt lágvirkjastál sem hentar fyrir samrunakljúfa og undirbúningsaðferð þess, sem einkennist af því að hlutfall álþátta í heildarmassa lágvirkjastálsins er: fylkið er 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% og 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.
Framleiðsluferli: Fe-Cr-WV-Ta-Mn móðurbræðsla, duftfleyging, orkumikil kúlumölun móðurblendisins ogY2O3 nanóögnblandað duft, dufthjúpandi útdráttur, storknunarmótun, heitvalsing og hitameðferð.
Aðferð við samlagningu sjaldgæfra jarðar: Bættu við nanóskalaY2O3agnir í frumblönduðu duftinu í frumblöndunarblöndunni fyrir háorkukúlamölun, þar sem kúlumalarmiðillinn er Φ 6 og Φ 10 blandaðar harðar stálkúlur, með 99,99% argongasi kúlumölunarlofts, massahlutfall kúluefnis upp á (8- 10): 1, kúlumölunartími 40-70 klukkustundir og snúningshraði 350-500 sn./mín.
3）. Notað til að búa til nifteindageislavarnarefni
① Meginreglan um nifteindageislavarnir
Nifteindir eru hlutar atómkjarna, með kyrrstöðumassa 1.675 × 10-27 kg, sem er 1838 sinnum rafeindamassa. Radíus hans er um það bil 0,8 × 10-15m, svipað að stærð og róteind, svipað og γ Geislar eru jafn óhlaðnir. Þegar nifteindir hafa víxlverkun við efni hafa þær aðallega samskipti við kjarnakrafta inni í kjarnanum og hafa ekki samskipti við rafeindir í ytri skelinni.
Með hraðri þróun kjarnorku og kjarnakljúfatækni hefur sífellt meiri athygli verið lögð á öryggi kjarnorkugeislunar og verndun kjarnageisla. Til að efla geislavarnir fyrir rekstraraðila sem hafa stundað viðhald og björgun geislatækja í langan tíma hefur það mikla vísindalega þýðingu og efnahagslegt gildi að þróa léttar hlífðarsamsetningar fyrir hlífðarfatnað. Nifteindageislun er mikilvægasti hluti geislunar kjarnaofna. Almennt hafa flestar nifteindir í beinni snertingu við manneskjur verið hægðar niður í lágorku nifteindir eftir nifteinda hlífðaráhrif burðarefnanna inni í kjarnaofni. Lágorku nifteindir munu rekast á kjarna með lægri atómnúmer teygjanlega og halda áfram að vera stillt. Miðaðar varma nifteindirnar verða frásogaðar af frumefnum með stærri nifteindagleypniþversnið og að lokum næst nifteindavörn.
② Lykil einkaleyfisrannsókn
The porous og lífræn-ólífræn blendingur eiginleikarsjaldgæft jarðefnigadólínbyggt málm lífræn beinagrind efni auka samhæfni þeirra við pólýetýlen, stuðla að tilbúnu samsettu efni til að hafa hærra gadólín innihald og gadólín dreifingu. Hátt gadólíninnihald og dreifing mun hafa bein áhrif á nifteindavörn frammistöðu samsettra efna.
Lykil einkaleyfi: Hefei Institute of Material Science, Kínverska vísindaakademían, uppfinninga einkaleyfi á gadolinium byggt lífrænt ramma samsett hlífðarefni og undirbúningsaðferð þess
Útdráttur einkaleyfis: Gadolinium byggt málm lífræn beinagrind samsett hlífðarefni er samsett efni sem myndast við blöndungadólínbyggt málm lífrænt beinagrind efni með pólýetýleni í þyngdarhlutfallinu 2:1:10 og myndar það með uppgufun leysis eða heitpressun. Gadolinium byggt málm lífræn beinagrind samsett hlífðarefni hafa mikla hitastöðugleika og varma nifteinda hlífðargetu.
Framleiðsluferli: að velja öðruvísigadólín málmursölt og lífræn bindlar til að undirbúa og búa til mismunandi gerðir af gadólíníum byggt málm lífrænum beinagrind efni, þvo þau með litlum sameindum af metanóli, etanóli eða vatni með skilvindu og virkja þau við háan hita við lofttæmi til að fjarlægja að fullu leifar óhvarfaðra hráefna. í svitaholum lífrænna beinagrindarefna úr málmi sem byggir á gadólíníum; Gadolinium byggt lífrænt beinagrind beinagrind efni sem er búið til í skrefi er hrært með pólýetýlen húðkrem á miklum hraða, eða ultrasonic, eða gadolinium byggt lífræna beinagrind beinagrind efni sem búið er til í skrefi er bræddur blandað með pólýetýleni með ofurmólþunga við háan hita þar til það er að fullu blandað; Settu einsleita blönduðu gadólíníum byggt málm lífrænt beinagrind efni / pólýetýlen blöndu í mótið, og fáðu myndað gadólín byggt málm lífræn beinagrind samsett hlífðarefni með því að þurrka til að stuðla að uppgufun leysis eða heitpressun; Tilbúið gadólíníum byggt málm lífrænt beinagrind samsett hlífðarefni hefur verulega bætt hitaþol, vélræna eiginleika og yfirburða varma nifteinda hlífðargetu samanborið við hreint pólýetýlen efni.
Samsetningarháttur sjaldgæfra jarðar: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 eða Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 gljúpa kristallaða samhæfingarfjölliða sem inniheldur gadólín, sem fæst með samhæfingarfjölliðun áGd (NO3) 3 • 6H2O eða GdCl3 • 6H2Oog lífræn karboxýlatbindill; Stærð lífræns beinagrind úr málmi sem byggir á gadólíníum er 50nm-2 μm; Lífræn beinagrind úr málmi sem byggir á gadólíníum hefur mismunandi formgerð, þar á meðal kornótt, stangalaga eða nálalaga lögun.
（4） Beiting áSkandíumí geislaefnafræði og kjarnorkuiðnaði
Scandium málmur hefur góðan hitastöðugleika og sterkan flúor frásogsgetu, sem gerir hann að ómissandi efni í kjarnorkuiðnaðinum.
Lykil einkaleyfi: Kína Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uppfinninga einkaleyfi fyrir ál sink magnesíum scandium málmblöndu og undirbúningsaðferð þess
Útdráttur einkaleyfis: Sink úr álimagnesíum scandium álfelgurog undirbúningsaðferð þess. Efnasamsetning og þyngdarprósenta ál sink magnesíum scandium málmblöndunnar eru: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, óhreinindi Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, annað óhreinindi ein ≤ 0,05%, önnur óhreinindi samtals ≤ 0,15%, og eftirstandandi magn er Al. Örbygging þessa ál sink magnesíum scandium álefnis er einsleit og frammistaða þess er stöðug, með fullkominn togstyrk yfir 400MPa, flæðistyrk yfir 350MPa og togstyrk yfir 370MPa fyrir soðnar samskeyti. Hægt er að nota efnisvörurnar sem burðarvirki í geimferðum, kjarnorkuiðnaði, flutningum, íþróttavörum, vopnum og öðrum sviðum.
Framleiðsluferli: Skref 1, innihaldsefni samkvæmt ofangreindri álblöndu; Skref 2: Bræðið í bræðsluofninum við hitastigið 700 ℃ ~ 780 ℃; Skref 3: Hreinsaðu alveg bráðna málmvökvann og haltu málmhitastigi á bilinu 700 ℃ ~ 750 ℃ meðan á hreinsun stendur; Skref 4: Eftir hreinsun ætti það að vera alveg leyft að standa kyrrt; Skref 5: Eftir að hafa staðið að fullu, byrjaðu að steypa, haltu ofnhitastigi á bilinu 690 ℃ ~ 730 ℃ og steypuhraði er 15-200 mm/mínútu; Skref 6: Framkvæmdu einsleitunarglæðingarmeðferð á málmblöndunni í hitunarofninum, með einsleitunarhitastiginu 400 ℃ ~ 470 ℃; Skref 7: Afhýðið einsleita hleifinn og framkvæmið heitt útpressun til að framleiða snið með veggþykkt yfir 2,0 mm. Meðan á útpressunarferlinu stendur ætti að halda kútnum við hitastigið 350 ℃ til 410 ℃; Skref 8: Kreistu sniðið til að slökkva lausnina með lausnarhitastiginu 460-480 ℃; Skref 9: Eftir 72 klukkustundir af slokknun á föstu lausninni, þvingaðu fram öldrun handvirkt. Handvirka öldrunarkerfið er: 90~110 ℃/24 klst +170~180 ℃/5 klst, eða 90~110 ℃/24 klst +145~155 ℃/10 klst.
5、 Rannsóknarsamantekt
Á heildina litið eru sjaldgæfar jarðvegi mikið notaðar í kjarnasamruna og kjarnaklofnun og hafa margar einkaleyfisuppsetningar í tæknilegum áttum eins og röntgengeislun, plasmamyndun, ljósvatnsofni, transúran, úranýl og oxíðduft. Að því er varðar kjarnaefni er hægt að nota sjaldgæf jarðefni sem byggingarefni í kjarnaofnum og tengd keramik einangrunarefni, stjórnefni og nifteindageislavarnarefni.
Birtingartími: 26. maí 2023