핵 물질에서 희토류 요소의 적용

1. 핵 물질의 정의

광범위한 의미에서, 핵 물질은 원자력 산업 및 원자력 공학 물질, 즉 비 핵 연료 재료를 포함한 원자력 과학 연구에 독점적으로 사용되는 재료에 대한 일반적인 용어이다.

일반적으로 핵 물질을 지칭하는 것은 주로 반응기 재료로도 알려진 반응기의 여러 부분에서 사용되는 재료를 나타냅니다. 반응기 재료는 중성자 폭격 하에서 핵분열을 겪는 핵 연료, 핵 연료 성분, 냉각제, 중성자 중재자 (중성자 중재자), 중성자를 강하게 흡수하는 제어 막대 재료 및 반응기 외부의 중성자 누출을 방지하는 반사 물질을 제어하는 ​​핵 연료를 포함한다.

2 rare CO 공포 자원과 원자력 자원의 관계

포스 포세 라이트 및 포스 포세 라이트라고도하는 모나자이트는 중간 산성 암석과 변성 암석의 일반적인 보조 광물입니다. Monazite는 희토류 금속 광석의 주요 미네랄 중 하나이며 일부 퇴적암에는 존재합니다. 갈색의 붉은 색, 노란색, 때로는 갈색 노란색, 기름기가 많은 광택, 완전한 분열, 5-5.5의 Mohs 경도 및 4.9-5.5의 비중.

중국의 일부 장소 유형 희토류 퇴적물의 주요 광물 광물은 주로 Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan 및 He 카운티, Guangxi에 위치한 Monazite입니다. 그러나, Placer Type Rare Earth 자원의 추출은 종종 경제적 중요성을 가지고 있지 않습니다. 독방 돌에는 종종 반사성 토륨 원소가 포함되어 있으며 상업적 플루토늄의 주요 공급원이기도합니다.

3 rare 특허 파노라마 분석에 근거한 핵 융합 및 핵 핵분열에서의 희토류 적용 개요

희토류 검색 요소의 키워드가 완전히 확장 된 후에는 핵분열 및 핵 융합의 확장 키 및 분류 번호와 결합되어 Incopt 데이터베이스에서 검색됩니다. 검색 날짜는 2020 년 8 월 24 일입니다. 4837 특허는 단순한 가족 합병 후에 얻어졌으며 인공 소음 감소 후 4673 특허를 결정했습니다.

원자력 핵분열 또는 핵 융합 분야의 희토류 특허 응용은 주로 일본, 중국, 미국, 독일 및 러시아에 집중된 56 개국/지역에 분포되어 있습니다. 상당수의 특허가 PCT 형태로 적용되고 있으며, 그 중 중국 특허 기술 응용 프로그램은 특히 급격한 성장 단계, 일본에 기반을두고 있습니다.

그림 1 국가/지역의 핵 핵분열 및 핵 융합의 희토류 적용과 관련된 기술 특허의 적용 추세

기술 주제 분석에서 핵 융합 및 핵 핵분열에서 희토류의 적용은 연료 요소, 신틸 레이터, 방사선 탐지기, 액티 나이드, 플라즈마, 원자로, 차폐 재료, 중성자 흡수 및 기타 기술 방향에 초점을 맞추고 있음을 알 수 있습니다.

4 key 핵 물질의 희토류 요소에 대한 특정 응용 및 주요 특허 연구

그중에서도 핵 물질의 핵 융합 및 핵분열 반응은 강렬하며 물질에 대한 요구 사항은 엄격합니다. 현재, 전력 반응기는 주로 핵분열 반응기이며, 융합 반응기는 50 년 후에 대규모로 대중화 될 수있다. 적용희토류원자로 구조 재료의 요소; 특정 핵 화학 분야에서, 희토류 원소는 주로 제어로드에 사용됩니다. 게다가,스칸듐방사 화학 및 원자력 산업에도 사용되었습니다.

(1) 가연성 독 또는 제어 막대로서 중성자 수준과 원자로의 임계 상태를 조정합니다.

전력 반응기에서, 새로운 코어의 초기 잔류 반응성은 일반적으로 비교적 높다. 특히 첫 번째 급유주기의 초기 단계에서, 핵심의 모든 핵 연료가 새롭면 나머지 반응성이 가장 높습니다. 이 시점에서, 잔류 반응성을 보상하기 위해 제어로드 증가에만 의존하면 더 많은 대조군 막대가 생성 될 것이다. 각 제어로드 (또는로드 번들)는 복잡한 주행 메커니즘의 도입에 해당합니다. 한편으로, 이것은 비용을 증가시키고 반면에 압력 용기 헤드의 구멍을 열면 구조적 강도가 감소 할 수 있습니다. 비 경제적 일뿐 만 아니라 압력 용기 헤드에 어느 정도의 다공성과 구조적 강도를 가질 수 없습니다. 그러나, 대조군로드를 증가시키지 않으면, 나머지 반응성을 보상하기 위해 화학적 보상 독소 (예 : 붕산)의 농도를 증가시켜야한다. 이 경우 붕소 농도가 임계 값을 초과하기 쉽고 중재자의 온도 계수가 양수가됩니다.

앞서 언급 한 문제를 피하기 위해, 가연성 독소, 제어로드 및 화학적 보상 제어의 조합이 일반적으로 제어에 사용될 수있다.

(2) 반응기 구조 재료의 성능을 향상시키기위한 도펀트로서

원자로는 특정 수준의 강도, 부식 저항 및 높은 열 안정성을 갖기 위해 구조적 성분 및 연료 요소가 필요하며, 핵분열 생성물이 냉각수에 유입되는 것을 방지합니다.

1). 지구 강철

원자로는 극도의 물리적 및 화학적 조건을 가지며, 원자로의 각 성분은 또한 사용 된 특수 강철에 대한 높은 요구 사항을 갖는다. 희토류 원소는 주로 정제, 변성, 미세 합금 및 부식성 개선을 포함하여 강철에 대한 특수한 변형 효과를 갖습니다. 희토류 함유 강은 또한 원자로에서 널리 사용됩니다.

Purification Effect : 기존 연구에 따르면 희토류는 고온에서 용융 강에 정제 효과가 우수합니다. 이것은 희토류가 용융 강에서 산소 및 황과 같은 유해한 원소와 반응하여 고온 화합물을 생성 할 수 있기 때문입니다. 고온 화합물은 용융 강 응축 전에 포함의 형태로 침전 및 배출 될 수 있으며, 이에 따라 용융 강에서 불순물 함량이 줄어 듭니다.

Metamorphism : 반면에, 황반의 희토류 반응에 의해 생성 된 산화물, 황화물 또는 옥시 설파이드는 산소 및 황과 같은 유해한 요소와 용융 강에서 희토류의 반응에 의해 생성 된 산화물에 부분적으로 유지되어 높은 용융점이있는 강철의 포함이 될 수 있습니다. 이러한 포함은 용융 강의 고정화 동안 이종 핵 생성 중심으로 사용될 수 있으며, 따라서 강의 모양과 구조를 개선시킬 수있다.

MICROALLOYING : 희토류의 추가가 더 증가하면 상기 정제 및 변성이 완료된 후 나머지 희토류가 강철에 용해됩니다. 희토류의 원자 반경은 철 원자의 원자 반경보다 크기 때문에 희토류는 표면 활성이 더 높습니다. 용융 강의 응고 과정 동안, 희토류 요소는 입자 경계에서 풍부 해져 입자 경계에서 불순물 요소의 분리를 더 잘 감소시켜 고체 용액을 강화하고 미세 합금의 역할을 수행 할 수 있습니다. 다른 한편으로, 희토류의 수소 저장 특성으로 인해 강철로 수소를 흡수하여 강철의 수소 손상 현상을 효과적으로 개선 할 수 있습니다.

∎ 부식성 향상 : 희토류 요소의 추가는 강철의 부식 저항을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 희토류가 스테인레스 스틸보다 자기 부식 전위가 높기 때문입니다. 따라서, 희토류의 첨가는 스테인레스 스틸의 자체 부식 잠재력을 증가시켜 부식성 매체에서 강철의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

2). 주요 특허 연구

주요 특허 : 산화물 분산의 발명 특허는 중국 과학 아카데미 인 Institute of Metals의 저 활성화 강을 강화했습니다.

특허 초록 : 융합 반응기 및 그 제조 방법에 적합한 산화물 분산 된 낮은 활성화 강 강화 된 낮은 활성화 스틸이며, 낮은 활성화 강의 총 질량에서 합금 요소의 백분율은 : 매트릭스는 Fe, 0.08% ≤ C ≤ 0.15%, 8.0% ≤ CR ≤ 10.0%, 1.1% ≤ 0.1% ≤ 0.5% ≤ 0.1% ≤ 0.5% ≤ 0.5% ≤ 0.0% ≤ 0.5% ≤ 0.0% ≤ 0.0% ≤ 0.5% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.5% ≤ 0.10% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.5% ≤ 0.10% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 0.1% ≤ 1.5%입니다. ≤ Ta ≤ 0.2%, 0.1 ≤ mn ≤ 0.6%및 0.05%≤ Y2O3 ≤ 0.5%.

제조 공정 : Fe-CR-WV-TA-MN 모체 합금 제련, 분말 분무, 고 에너지 볼 밀링 어머니 합금 및Y2O3 나노 입자혼합 분말, 분말 포위 추출, 고화 성형, 핫 롤링 및 열처리.

희토류 추가 방법 : 나노 스케일을 추가하십시오Y2O3고 에너지 볼 밀링을위한 모 합금 원자 화 분말에 대한 입자, 볼 밀링 매체는 φ 6 및 φ 10 혼합 강철 볼이며, 볼 밀링 분위기는 99.99% 아르곤 가스의 볼 밀링 분위기, (8-10) : 1, 40-70 시간의 볼 밀링 속도 350-500 r/min.

3). 중성자 방사선 보호 재료를 만드는 데 사용되었습니다

중성자 방사선 보호의 원리

중성자는 1.675 × 10-27kg의 정적 질량을 가진 원자 핵의 성분이며, 이는 전자 질량의 1838 배입니다. 반경은 대략 0.8 × 10-15m이며, γ 광선과 유사한 양성자와 비슷한 크기가 비슷합니다. 중성자가 물질과 상호 작용하면 주로 핵 내부의 핵무기와 상호 작용하며 외부 껍질의 전자와 상호 작용하지 않습니다.

원자력 및 원자로 기술의 빠른 발전으로 핵 방사선 안전 및 핵 방사선 보호에 점점 더 많은 관심을 기울였습니다. 방사선 장비 유지 보수 및 사고 구조에 오랫동안 관여 한 운영자의 방사선 보호를 강화하기 위해 보호 의류를위한 경량 차폐 복합재를 개발하는 것은 과학적 중요성과 경제적 가치가 있습니다. 중성자 방사선은 원자로 방사선의 가장 중요한 부분입니다. 일반적으로, 인간과 직접 접촉하는 대부분의 중성자는 원자로 내부의 구조 물질의 중성자 차폐 효과 후에 저에너지 중성자로 느려졌다. 낮은 에너지 중성자는 원자 수가 탄성적으로 낮은 핵과 충돌하여 계속 조절됩니다. 중성 열 중성자는 더 큰 중성자 흡수 단면을 갖는 요소에 의해 흡수 될 것이며, 마지막으로 중성자 차폐가 달성 될 것이다.

② 주요 특허 연구

다공성 및 유기형 하이브리드 특성희토류 요소가돌리늄기반 금속 유기 골격 재료는 폴리에틸렌과의 호환성을 증가시켜 합성 복합 재료를 촉진하여 가돌리늄 함량이 높아지고 가돌리늄 분산을 촉진합니다. 높은 가돌리늄 함량 및 분산은 복합 재료의 중성자 차폐 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

주요 특허 : Hefei Institute of Material Science, 중국 과학 아카데미, 가돌리늄 기반 유기 프레임 워크 복합 방패 재료 및 준비 방법의 발명 특허

특허 초록 : 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 방패 물질은 혼합에 의해 형성된 복합 재료입니다.가돌리늄2 : 1 : 10의 중량 비율로 폴리에틸렌을 갖는 기반 금속 유기 골격 물질을 기반으로하고 용매 증발 또는 뜨거운 프레스를 통해이를 형성한다. Gadolinium 기반 금속 유기 골격 복합 방패 재료는 높은 열 안정성 및 열 중성자 차폐 능력을 갖습니다.

제조 공정 : 다른 선택가돌리늄 금속상이한 유형의 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질을 제조하고 합성하기위한 염 및 유기 리간드는 원심 분리에 의해 소분자, 에탄올 또는 물의 소분자로 세척하고, 진공 조건 하에서 고온에서 활성화하여 가돌리늄 기반 금속 스키트 물질의 기공에서 잔류 미지 물질을 완전히 제거합니다. 단계에서 제조 된 가돌리늄 기반 유기 금속 골격 물질은 고속으로 폴리에틸렌 로션으로 교반되거나 초음파 또는 가돌리늄 기반 유기 금속 골격 물질은 완전히 혼합 될 때까지 고온에서 초고 분자 중량 폴리에틸렌과 용융된다; 균일하게 혼합 된 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질/폴리 에틸렌 혼합물을 곰팡이에 놓고, 용매 증발 또는 뜨거운 프레스를 촉진하기 위해 건조시킴으로써 형성된 가돌리늄 기반 금속 스켈레톤 복합 방패 물질을 얻습니다. 제조 된 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합재 차폐 물질은 순수한 폴리에틸렌 물질에 비해 내열성, 기계적 특성 및 우수한 열 중성자 차폐 능력을 상당히 개선시켰다.

희토류 첨가 모드 : GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 또는 GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 다 돌리늄을 함유하는 다공성 결정 표현 중합체는 배위 중합에 의해 수득된다.GD (NO3) 3 • 6H2O 또는 GDCL3 • 6H2O및 유기 카르 복실 레이트 리간드; 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질의 크기는 50nm-2 μm ℃ 기반 금속 유기 골격 재료는 세분화, 막대 형 또는 바늘 모양의 형태를 포함한 다른 형태를 갖는다.

(4) 적용스칸듐방사선 화학 및 원자력 산업

스칸듐 금속은 우수한 열 안정성과 강한 불소 흡수 성능을 가지므로 원자 에너지 산업에서 필수 물질이됩니다.

주요 특허 : 중국 항공 우주 개발 베이징 항공 재료 연구소, 알루미늄 아연 마그네슘 스칸디움 합금에 대한 발명 특허 및 준비 방법

특허 초록 : 알루미늄 아연마그네슘 스칸듐 합금그리고 준비 방법. 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금의 화학적 조성 및 중량 백분율은 다음과 같습니다. 0.15%, 나머지 금액은 Al입니다. 이 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금 물질의 미세 구조는 균일하고 그 성능은 400mpa 이상의 최종 인장 강도, 350mpa 이상의 항복 강도 및 370mpa 이상의 인장 강도를 사용하여 안정적입니다. 재료 제품은 항공 우주, 원자력 산업, 운송, 스포츠 용품, 무기 및 기타 분야의 구조적 요소로 사용될 수 있습니다.

제조 공정 : 1 단계, 상기 합금 조성에 따른 성분; 2 단계 : 제련 용광로에서 700 ℃ ~ 780 ℃의 온도에서 녹는다. 3 단계 : 완전히 녹은 금속 액체를 정제하고 정제 중에 700 ℃의 범위 내에서 금속 온도를 유지합니다. 4 단계 : 정제 후에는 완전히 서 있도록 허용되어야합니다. 5 단계 : 완전히 서있는 후 캐스팅을 시작하고 690 ℃의 범위 내에서 퍼니스 온도를 유지하면 주조 속도는 15-200mm/분입니다. 6 단계 : 가열 용광로의 합금 잉곳에서 균질화 어닐링 처리를 수행하며, 균질화 온도는 400 ℃ ~ 470 ℃; 7 단계 : 균질화 된 잉곳을 껍질을 벗기고 뜨거운 압출을 수행하여 벽 두께가 2.0mm 이상인 프로파일을 생성합니다. 압출 공정 동안, 빌릿은 350 ℃에서 410 ℃의 온도로 유지되어야한다; 8 단계 : 용액 온도가 460-480 ℃로 용액 담금질 처리에 대한 프로파일을 압박한다. 9 단계 : 72 시간의 고체 용액 담금질 후 수동으로 노화를 강제로합니다. 수동 힘 노화 시스템은 90 ~ 110 ℃/24 시간+170 ~ 180 ℃/5 시간 또는 90 ~ 110 ℃/24 시간+145 ~ 155 ℃/10 시간입니다.

5 、 연구 요약

전체적으로, 희토류는 핵 융합 및 핵 핵분열에 널리 사용되며 X- 선 여기, 혈장 형성, 경수 반응기, 트랜 uranium, 우라 닐 및 산화물 분말과 같은 기술 방향으로 많은 특허 레이아웃이 있습니다. 반응기 재료의 경우, 희토류는 반응기 구조 재료 및 관련 세라믹 단열재, 제어 재료 및 중성자 방사선 보호 재료로 사용될 수 있습니다.