Notkun sjaldgæfra jarðefna í kjarnorkuefnum

1. Skilgreining á kjarnorkuefnum

Í víðum skilningi er kjarnorkuefni almennt hugtak yfir efni sem eingöngu eru notuð í kjarnorkuiðnaði og kjarnorkurannsóknum, þar á meðal kjarnorkueldsneyti og kjarnorkuverkfræðileg efni, þ.e. efni sem ekki eru notuð til kjarnorkueldsneytis.

Algengt er að kjarnorkuefni vísi aðallega til efna sem notuð eru í ýmsum hlutum kjarnaofnsins, einnig þekkt sem hvarfefni. Hvarfefni eru meðal annars kjarnorkueldsneyti sem gengst undir kjarnaklofnun undir nifteindaárás, klæðningarefni fyrir kjarnorkueldsneytisþætti, kælivökvi, nifteindastillir (stillir), stjórnstangaefni sem gleypa nifteindir sterkt og endurskinsefni sem koma í veg fyrir nifteindaleka út fyrir kjarnaofninn.

2. Samhliða tengsl milli sjaldgæfra jarðauðlinda og kjarnorkuauðlinda

Mónasít, einnig kallað fosfóserít og fosfóserít, er algengt aukaefni í miðlungs súru storkubergi og myndbreytingarbergi. Mónasít er eitt af helstu steinefnunum í sjaldgæfum jarðmálmum og finnst einnig í sumum setbergjum. Brúnrautt, gult, stundum brúnt gult, með feitum gljáa, fullkominni klofnun, Mohs hörku 5-5,5 og eðlisþyngd 4,9-5,5.

Helsta málmgrýtið í sumum sjaldgæfum jarðmálmanámum af placer-gerð í Kína er mónasít, aðallega að finna í Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He-sýslu í Guangxi. Hins vegar hefur vinnsla á sjaldgæfum jarðmálmaauðlindum af placer-gerð oft ekki efnahagslega þýðingu. Einstakir steinar innihalda oft endurskinsþörunga og eru einnig aðal uppspretta iðnaðarplútóníums.

3. Yfirlit yfir notkun sjaldgæfra jarðefna í kjarnasamruna og kjarnaklofnun byggt á einkaleyfisbundinni víðmyndargreiningu.

Eftir að leitarorðin fyrir sjaldgæfa jarðmálma hafa verið að fullu útvíkkuð eru þau sameinuð útvíkkunarlyklum og flokkunarnúmerum kjarnaklofnunar og kjarnasamruna og leitað í Incopt gagnagrunninum. Leitardagsetningin er 24. ágúst 2020. 4837 einkaleyfi voru fengin eftir einfalda fjölskyldusamruna og 4673 einkaleyfi voru ákvörðuð eftir gervihávaðaminnkun.

Umsóknir um einkaleyfi á sjaldgæfum jarðefnum á sviði kjarnaklofnunar eða kjarnasamruna eru dreifðar í 56 löndum/svæðum, aðallega í Japan, Kína, Bandaríkjunum, Þýskalandi og Rússlandi o.s.frv. Töluverður fjöldi einkaleyfa er sótt um í formi PCT, og umsóknir um einkaleyfi á tækni frá Kína hafa aukist, sérstaklega frá árinu 2009, þar sem þær eru á hröðum vaxtarskeiði, og Japan, Bandaríkin og Rússland hafa haldið áfram að leggja áherslu á þetta sviði í mörg ár (Mynd 1).

Mynd 1 Þróun notkunar tækni einkaleyfa sem tengjast notkun sjaldgæfra jarðefna í kjarnaklofnun og kjarnasamruna í löndum/svæðum

Af greiningu á tæknilegum þemum má sjá að notkun sjaldgæfra jarðefna í kjarnasamruna og kjarnaklofnun beinist að eldsneytisfrumefnum, sintillatorum, geislunarskynjurum, aktiníðum, plasma, kjarnaofnum, skjöldunarefnum, nifteindagleypni og öðrum tæknilegum áttum.

4. Sérstök notkun og lykilrannsóknir á einkaleyfum á sjaldgæfum jarðefnum í kjarnorkuefnum

Meðal þeirra eru kjarnasamruni og kjarnaklofnunarviðbrögð í kjarnaefnum mikil og kröfur um efni eru strangar. Eins og er eru kjarnaofnar aðallega kjarnaklofnunarofnar og kjarnaklofnar gætu orðið vinsælir í stórum stíl eftir 50 ár. Notkunsjaldgæf jarðefnifrumefni í byggingarefnum í kjarnaofnum; Í tilteknum sviðum kjarnorkuefnafræði eru sjaldgæf jarðefni aðallega notuð í stjórnstöngum; Að auki,skandínhefur einnig verið notað í geislaefnafræði og kjarnorkuiðnaði.

(1) Sem eldfimt eitur eða stjórnstöng til að stilla nifteindamagn og hættulegt ástand kjarnaofns

Í kjarnaofnum er upphafleg hvarfgirni nýrra kjarna almennt tiltölulega mikil. Sérstaklega á fyrstu stigum fyrstu eldsneytisáfyllingarferlisins, þegar allt kjarnorkueldsneyti í kjarnanum er nýtt, er hvarfgirnin mest. Á þessum tímapunkti myndi það að treysta eingöngu á að auka stjórnstangir til að bæta upp fyrir hvarfgirni í kjarnanum, bæta upp fleiri stjórnstangir. Hver stjórnstang (eða stangabunt) samsvarar innleiðingu flókins drifkerfis. Annars vegar eykur þetta kostnað, og hins vegar getur opnun hola í þrýstihylkishausnum leitt til lækkunar á burðarþoli. Það er ekki aðeins óhagkvæmt, heldur er það ekki heldur leyfilegt að hafa ákveðið magn af gegndræpi og burðarþoli á þrýstihylkishausnum. Hins vegar, án þess að auka stjórnstangirnar, er nauðsynlegt að auka styrk efnabætandi eiturefna (eins og bórsýru) til að bæta upp fyrir hvarfgirni í kjarnanum. Í þessu tilfelli er auðvelt fyrir bórþéttni að fara yfir þröskuldinn og hitastuðullinn í miðlinum verður jákvæður.

Til að forðast áðurnefnd vandamál er almennt hægt að nota blöndu af eldfimum eiturefnum, stjórnstöngum og efnafræðilegri jöfnunarstýringu til eftirlits.

(2) Sem efni til að auka afköst byggingarefna í hvarfefnum

Kjarnofnar þurfa að burðarvirki og eldsneytisþættir hafi ákveðið styrk, tæringarþol og mikla hitastöðugleika, en jafnframt komi í veg fyrir að klofnunarafurðir komist inn í kælimiðilinn.

1) Sjaldgæft jarðstál

Kjarnorkuofnar eru undir miklum eðlisfræðilegum og efnafræðilegum skilyrðum og hver íhlutur ofnsins hefur einnig miklar kröfur um sérstakt stál sem notað er. Sjaldgæf jarðefni hafa sérstök áhrif á stálbreytingar, aðallega þar á meðal hreinsun, myndbreytingu, örblöndun og bætt tæringarþol. Stál sem innihalda sjaldgæfa jarðefni eru einnig mikið notuð í kjarnaofnum.

① Hreinsunaráhrif: Rannsóknir hafa sýnt að sjaldgæfar jarðmálmar hafa góð hreinsunaráhrif á bráðið stál við hátt hitastig. Þetta er vegna þess að sjaldgæfar jarðmálmar geta brugðist við skaðlegum frumefnum eins og súrefni og brennisteini í bráðnu stáli og myndað háhitasambönd. Háhitasamböndin geta fallið út og losnað sem innilokanir áður en bráðna stálið þéttist, og þannig dregið úr óhreinindainnihaldi í bráðna stálinu.

② Myndbreyting: Hins vegar geta oxíð, súlfíð eða oxýsúlfíð sem myndast við efnahvörf sjaldgæfra jarðefna í bráðnu stáli við skaðleg frumefni eins og súrefni og brennistein að hluta til haldist eftir í bráðnu stáli og orðið að innfelldum efnum í stáli með hátt bræðslumark. Þessar innfellingar geta verið notaðar sem ólíkar kjarnamyndunarstöðvar við storknun bráðna stálsins og þannig bætt lögun og uppbyggingu stálsins.

③ Örblöndun: Ef viðbætingu sjaldgæfra jarðefna er aukið enn frekar, mun eftirstandandi sjaldgæf jarðefni leysast upp í stálinu eftir að ofangreind hreinsun og myndbreyting er lokið. Þar sem atómradíus sjaldgæfra jarðefna er stærri en járnatómsins, hefur sjaldgæf jarðefni meiri yfirborðsvirkni. Við storknunarferli bráðins stáls auðgast sjaldgæf jarðefni við kornamörk, sem getur betur dregið úr aðskilnaði óhreininda við kornamörk, þannig að fasta lausnin styrkist og gegnir hlutverki örblöndunar. Hins vegar, vegna vetnisgeymslueiginleika sjaldgæfra jarðefna, geta þau tekið upp vetni í stáli og þannig bætt vetnisbrotnun stálsins á áhrifaríkan hátt.

④ Að bæta tæringarþol: Viðbót sjaldgæfra jarðefna getur einnig bætt tæringarþol stáls. Þetta er vegna þess að sjaldgæfir jarðefni hafa meiri sjálftæringargetu en ryðfrítt stál. Þess vegna getur viðbót sjaldgæfra jarðefna aukið sjálftæringargetu ryðfrítt stáls og þar með bætt stöðugleika stálsins í tærandi miðlum.

2). Lykil einkaleyfarannsókn

Lykil einkaleyfi: uppfinningareinkaleyfi á lágvirkjuðu stáli með oxíðdreifingu og framleiðsluaðferð þess frá Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Ágrip einkaleyfis: Hér er kynnt lágvirkjunarstál, styrkt með oxíðdreifingu, sem hentar fyrir samrunaofna og aðferð til framleiðslu þess, sem einkennist af því að hlutfall málmblönduþátta í heildarmassa lágvirkjunarstálsins er: grunnefnið 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: Bræðsla á Fe-Cr-WV-Ta-Mn móðurmálmblöndu, duftúðun, orkumikil kúlufræsun móðurmálmblöndunnar ogY2O3 nanóagnirblandað duft, duftumbúðaútdráttur, storknunarmótun, heitvalsun og hitameðferð.

Aðferð við viðbót sjaldgæfra jarðefna: Bætið við nanóskalaY2O3agnir við upprunalega málmblönduna, úðað duft fyrir orkuríka kúlufræsingu, þar sem kúlufræsingarmiðillinn er Φ 6 og Φ 10 blandaðir hörð stálkúlur, með kúlufræsingarandrúmslofti úr 99,99% argongasi, massahlutfall kúluefnisins (8-10): 1, kúlufræsingartími 40-70 klukkustundir og snúningshraði 350-500 snúningar á mínútu.

3). Notað til að búa til efni gegn geislunarvörn gegn nifteindum

① Meginregla um vernd gegn geislun nifteinda

Nifteindir eru hlutar atómkjarna og hafa stöðuga massa upp á 1,675 × 10⁻⁶⁶ kg, sem er 1838 sinnum meiri en massi rafeinda. Radíus þeirra er um það bil 0,8 × 10⁻⁶⁶ m, svipað að stærð og róteind, svipað og γ-geislar eru jafn óhlaðnir. Þegar nifteindir víxlverka við efni víxlverka þær aðallega við kjarnakraftana inni í kjarnanum en ekki við rafeindir í ytra hýði hans.

Með hraðri þróun kjarnorku og kjarnaofnatækni hefur sífellt meiri athygli beinst að öryggi gegn geislun kjarnorku og vörnum gegn geislun kjarnorku. Til að styrkja geislunarvarnir fyrir rekstraraðila sem hafa unnið við viðhald geislunarbúnaðar og björgun eftir slys í langan tíma, hefur það mikla vísindalega þýðingu og efnahagslegt gildi að þróa léttar hlífðarsamsetningar fyrir hlífðarfatnað. Nifteindageislun er mikilvægasti hluti geislunar kjarnorkuofnanna. Almennt hafa flestar nifteindir sem eru í beinni snertingu við menn hægt á sér í lágorku nifteindir eftir nifteindavörn byggingarefna inni í kjarnaofninum. Lágorku nifteindir munu rekast á kjarna með lægri atómtölu á teygjanlegan hátt og halda áfram að vera tempruð. Miðlaðar varma nifteindir verða gleyptar af frumefnum með stærri nifteindagleypniþversniði og að lokum verður nifteindavörn náð.

② Lykil einkaleyfarannsókn

Eiginleikar porous og lífræns-ólífræns blendingssjaldgæft jarðefnigadólíníumLífræn málmgrindarefni auka eindrægni sína við pólýetýlen, sem stuðlar að hærra gadólíníuminnihaldi og gadólíníumdreifingu í tilbúnum samsettum efnum. Hátt gadólíníuminnihald og dreifing mun hafa bein áhrif á nifteindavörn samsettu efnanna.

Lykil einkaleyfi: Efnisfræðistofnun Hefei, Kínverska vísindaakademían, uppfinningareinkaleyfi fyrir lífrænt ramma-samsett verndarefni úr gadólíníum og aðferð til að framleiða það.

Ágrip einkaleyfis: Gadolinium-bundið lífrænt málmgrindar samsett verndarefni er samsett efni sem myndast með blöndungadólíníumLífrænt málmgrindarefni úr samsettum málmgrindum með pólýetýleni í þyngdarhlutfallinu 2:1:10 og myndun þess með uppgufun leysiefna eða heitpressun. Lífræn málmgrindarefni úr samsettum málmgrindum úr gadólíníum hafa mikla hitastöðugleika og getu til að verjast varma nifteindum.

Framleiðsluferli: að velja mismunandigadólíníum málmursölt og lífræn bindlar til að búa til og mynda mismunandi gerðir af lífrænum málmgrindarefnum úr gadólíníum, þvo þau með litlum sameindum af metanóli, etanóli eða vatni með skilvindu og virkja þau við háan hita undir lofttæmi til að fjarlægja að fullu leifar af óhvarfuðum hráefnum í svitaholum lífrænu málmgrindarefnanna úr gadólíníum; Lífræna málmgrindarefnið úr gadólíníum sem er búið til í skrefi er hrært með pólýetýlenkremi á miklum hraða eða með ómskoðun, eða lífræna málmgrindarefnið úr gadólíníum sem búið er til í skrefi er bráðið saman við pólýetýlen með mjög háa mólþyngd við háan hita þar til það er fullkomlega blandað; Setjið jafnt blandaða lífræna málmgrindarefnið/pólýetýlen blönduna úr gadólíníum í mótið og fáið myndað lífrænt málmgrindarefni úr gadólíníum með þurrkun til að stuðla að uppgufun leysiefna eða heitpressun; Búið til lífrænt málmgrindarefni úr gadólíníum hefur verulega bætta hitaþol, vélræna eiginleika og betri varma-nifteindavörn samanborið við hreint pólýetýlen efni.

Aðferð við viðbót sjaldgæfra jarðmálma: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 eða Gd (BDC)1.5 (H2O)2, porous kristallaður samhæfingarpólýmer sem inniheldur gadólíníum, sem fæst með samhæfingarpólýmerun áGd(NO3)3 • 6H2O eða GdCl3 • 6H2Oog lífrænt karboxýlatlígand; Stærð gadólíníum-byggðs lífræns málmgrindarefnis er 50 nm-2 μm; gadólíníum-byggð lífræn málmgrindarefni eru með mismunandi lögun, þar á meðal kornlaga, stönglaga eða nálarlaga.

(4) NotkunSkandíní geislaefnafræði og kjarnorkuiðnaði

Skandínmálmur hefur góða hitastöðugleika og sterka flúorgleypni, sem gerir hann að ómissandi efni í kjarnorkuiðnaðinum.

Lykil einkaleyfi: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uppfinningareinkaleyfi fyrir ál sink magnesíum skandíum málmblöndu og aðferð til að framleiða hana

Ágrip einkaleyfis: Ál sinkmagnesíum skandíum álfelgurog aðferð við framleiðslu þess. Efnasamsetning og þyngdarprósenta áls sink magnesíum skandíum 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%, önnur óhreinindi stök ≤ 0,05%, önnur óhreinindi samtals ≤ 0,15% og afgangurinn er Al. Örbygging þessa áls sink magnesíum skandíum málmblönduefnis er einsleit og afköst þess stöðug, með togstyrk yfir 400 MPa, sveigjanleika yfir 350 MPa og togstyrk yfir 370 MPa fyrir suðusamskeyti. Efnið er hægt að nota sem byggingarþætti í geimferðaiðnaði, kjarnorkuiðnaði, flutningum, íþróttavörum, vopnum og öðrum sviðum.

Framleiðsluferli: Skref 1, innihaldsefni samkvæmt ofangreindri málmblöndusamsetningu; Skref 2: Bræðsla í bræðsluofni við hitastig 700 ℃ ~ 780 ℃; Skref 3: Hreinsun á fullkomlega bræddu málmvökvanum og haltu málmhitastiginu á bilinu 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​meðan á hreinsun stendur; Skref 4: Eftir hreinsun ætti að láta málminn standa alveg; Skref 5: Eftir að hafa staðið alveg, hefjið steypu, haltu ofnhitastiginu á bilinu 690 ℃ ~ 730 ℃ og steypuhraðinn er 15-200 mm / mínútu; Skref 6: Framkvæmið einsleitni glæðingarmeðferð á málmblöndunni í hitunarofni, með einsleitni hitastigi 400 ℃ ~ 470 ℃; Skref 7: Afhýðið einsleitu málmblönduna og framkvæmið heitpressun til að framleiða snið með veggþykkt yfir 2,0 mm. Meðan á pressunarferlinu stendur ætti að halda málmblöndunni við hitastig á bilinu 350 ℃ til 410 ℃; Skref 8: Kreistið prófílinn til að slökkva á lausninni, með lausnarhita upp á 460-480 ℃; Skref 9: Eftir 72 klukkustunda slökkvun í föstu lausninni, þvingið öldrun handvirkt. Handvirka öldrunarkerfið er: 90~110 ℃/24 klukkustundir + 170~180 ℃/5 klukkustundir, eða 90~110 ℃/24 klukkustundir + 145~155 ℃/10 klukkustundir.

5. Rannsóknaryfirlit

Almennt eru sjaldgæfar jarðmálmar mikið notaðir í kjarnasamruna og kjarnaklofnun og hafa margar einkaleyfisuppsetningar í tæknilegum áttum eins og röntgengeislunarörvun, plasmamyndun, léttvatnskjarnofnum, transúraníum, úranýl og oxíðdufti. Hvað varðar hvarfefni má nota sjaldgæfar jarðmálmar sem byggingarefni fyrir hvarfa og skyld keramik einangrunarefni, stjórnefni og efni til að vernda gegn nifteindargeislun.