1. 핵물질의 정의
넓은 의미에서 핵물질이란 핵산업과 핵과학 연구에만 사용되는 물질, 즉 핵연료와 핵공학 물질, 즉 비핵연료 물질을 총칭하는 용어입니다.
일반적으로 핵물질이라고 하는 것은 원자로의 여러 부분에 사용되는 물질, 즉 원자로 물질(Reactor Material)을 주로 지칭합니다. 원자로 물질에는 중성자 충격으로 핵분열을 일으키는 핵연료, 핵연료 구성품의 피복재, 냉각재, 중성자 감속재(감속재), 중성자를 강하게 흡수하는 제어봉 물질, 그리고 중성자가 원자로 외부로 누출되는 것을 방지하는 반사재가 포함됩니다.
2. 희토류자원과 핵자원의 공동연관관계
모나자이트는 포스포세라이트(phosphocerite) 또는 포스포세라이트(phosphocerite)라고도 불리며, 중산성 화성암과 변성암에서 흔히 발견되는 부광물입니다. 모나자이트는 희토류 금속 광석의 주요 광물 중 하나이며, 일부 퇴적암에도 존재합니다. 갈색을 띤 붉은색, 노란색, 때로는 갈색을 띤 노란색이며, 기름 같은 광택이 있고, 완전한 벽개성을 보이며, 모스 경도는 5~5.5이고, 비중은 4.9~5.5입니다.
중국의 일부 사금형 희토류 광상의 주요 광석은 모나자이트이며, 주로 후베이성 퉁청, 후난성 웨양, 장시성 상라오, 윈난성 멍하이, 광시성 허현에 분포합니다. 그러나 사금형 희토류 자원의 채굴은 경제적으로 큰 의미가 없는 경우가 많습니다. 고립된 암석은 종종 반사성 토륨 원소를 함유하고 있으며, 상업용 플루토늄의 주요 공급원이기도 합니다.
3. 특허 파노라마 분석을 통한 핵융합 및 핵분열 분야의 희토류 응용 개요
희토류 원소 검색 키워드가 완전히 확장된 후, 핵분열 및 핵융합의 확장 키와 분류 번호가 결합되어 Incopt 데이터베이스에서 검색됩니다. 검색 날짜는 2020년 8월 24일입니다. 단순 패밀리 병합 후 4,837건의 특허가 획득되었고, 인공적인 노이즈 제거 후 4,673건의 특허가 확인되었습니다.
핵분열 또는 핵융합 분야의 희토류 특허 출원은 56개국/지역에 분포되어 있으며, 주로 일본, 중국, 미국, 독일, 러시아 등에 집중되어 있습니다. 상당수의 특허가 PCT 형태로 출원되고 있으며, 그 중 중국의 특허 기술 출원이 증가하고 있으며, 특히 2009년 이후 급속한 성장 단계에 접어들었고, 일본, 미국, 러시아는 이 분야에서 수년간 계속해서 순위를 유지하고 있습니다(그림 1).
그림 1 핵분열 및 핵융합 분야의 희토류 응용기술 특허의 국가/지역별 출원 동향
기술 주제 분석을 통해 핵융합 및 핵분열에 희토류 원소를 적용하는 것은 연료 원소, 신틸레이터, 방사선 검출기, 악티나이드, 플라스마, 원자로, 차폐재, 중성자 흡수 및 기타 기술 방향에 초점을 맞추고 있음을 알 수 있습니다.
4. 핵물질 내 희토류 원소의 구체적인 응용 분야 및 핵심 특허 연구
그중에서도 핵물질의 핵융합 및 핵분열 반응은 매우 강렬하여 재료 요건이 엄격합니다. 현재 발전로는 주로 핵분열로를 사용하고 있으며, 핵융합로는 50년 후에는 대규모로 대중화될 가능성이 있습니다.희토류원자로 구조 재료의 원소; 특정 핵 화학 분야에서 희토류 원소는 주로 제어봉에 사용됩니다. 또한,스칸듐또한 방사화학과 핵산업에도 사용되었습니다.
（1） 원자로의 중성자 준위 및 임계상태를 조절하는 가연성 독극물 또는 제어봉
발전용 원자로에서 새 노심의 초기 잔류 반응도는 일반적으로 비교적 높습니다. 특히 노심 내 모든 핵연료가 새 핵연료일 때인 첫 번째 핵연료 재장전 주기의 초기 단계에서 잔류 반응도가 가장 높습니다. 이 시점에서 잔류 반응도를 보상하기 위해 제어봉의 수를 늘리는 것에만 의존하면 더 많은 제어봉이 필요하게 됩니다. 각 제어봉(또는 제어봉 다발)은 복잡한 구동 메커니즘을 도입하는 것과 같습니다. 이는 한편으로는 비용을 증가시키고, 다른 한편으로는 압력용기 헤드에 구멍을 뚫음으로써 구조적 강도가 저하될 수 있습니다. 이는 비경제적일 뿐만 아니라 압력용기 헤드에 일정 수준의 기공률과 구조적 강도를 확보하는 것도 허용되지 않습니다. 그러나 제어봉 수를 늘리지 않고도 잔류 반응도를 보상하기 위해 화학적 보상 독소(예: 붕산)의 농도를 높여야 합니다. 이 경우 붕소 농도가 임계값을 초과하기 쉽고 감속재의 온도 계수가 양(+)이 됩니다.
앞서 언급한 문제를 피하기 위해 일반적으로 가연성 독소, 제어봉, 화학적 보상 제어를 조합하여 제어할 수 있습니다.
（2） 원자로 구조재료의 성능 향상을 위한 도펀트로서
원자로에는 구조적 구성 요소와 연료 요소가 일정 수준의 강도, 내식성, 높은 열 안정성을 가져야 하며, 동시에 핵분열 생성물이 냉각수에 유입되는 것을 방지해야 합니다.
1) 희토류강
원자로는 극한의 물리적·화학적 조건을 가지며, 원자로의 각 구성품은 사용되는 특수강에 대한 높은 요건을 충족해야 합니다. 희토류 원소는 강철에 특별한 개질 효과를 미치는데, 주로 정제, 변성, 미세 합금화, 내식성 향상 등이 포함됩니다. 희토류 함유 강철 또한 원자로에 널리 사용됩니다.
① 정제 효과: 기존 연구에 따르면 희토류 원소는 고온에서 용강에 대한 정제 효과가 우수한 것으로 나타났습니다. 이는 희토류 원소가 용강 내의 산소, 황과 같은 유해 원소와 반응하여 고온 화합물을 생성할 수 있기 때문입니다. 고온 화합물은 용강이 응축되기 전에 개재물 형태로 침전되어 배출될 수 있으므로 용강 내 불순물 함량을 줄일 수 있습니다.
② 변성작용: 용강 속 희토류 원소가 산소나 황과 같은 유해 원소와 반응하여 생성된 산화물, 황화물 또는 산황화물은 용강에 부분적으로 잔류하여 고융점 개재물이 될 수 있습니다. 이러한 개재물은 용강 응고 과정에서 불균일 핵생성 중심으로 활용되어 강의 형상과 조직을 개선합니다.
③ 미세 합금화: 희토류 원소의 첨가량을 더욱 증가시키면, 상기 정제 및 변성 작용이 완료된 후 잔류 희토류 원소가 강에 용해됩니다. 희토류 원소의 원자 반경은 철 원자보다 크기 때문에 희토류 원소는 더 높은 표면 활성을 갖습니다. 용강의 응고 과정에서 희토류 원소는 결정립계에 농축되어 결정립계에서 불순물 원소의 편석을 더 잘 줄여 고용체를 강화하고 미세 합금화 역할을 합니다. 한편, 희토류 원소는 수소 저장 특성으로 인해 강에 수소를 흡수하여 강의 수소 취성 현상을 효과적으로 개선할 수 있습니다.
④ 내식성 향상: 희토류 원소를 첨가하면 강의 내식성도 향상시킬 수 있습니다. 희토류 원소는 스테인리스강보다 자기부식성이 더 높기 때문입니다. 따라서 희토류 원소를 첨가하면 스테인리스강의 자기부식성이 증가하여 부식성 매체에서 강의 안정성이 향상됩니다.
2) 주요 특허 연구
핵심특허: 중국과학원 금속연구소의 산화물 분산 강화 저활성화강 및 그 제조방법에 관한 발명특허
특허 요약: 본 발명은 핵융합로에 적합한 산화물 분산 강화 저활성화 강 및 그 제조 방법을 제공하며, 상기 저활성화 강의 총 질량 중 합금 원소의 백분율이 다음과 같은 것을 특징으로 한다: 기지가 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%, 및 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.
제조공정 : Fe-Cr-WV-Ta-Mn 모합금 제련, 분말분무, 모합금의 고에너지 볼밀링 및Y2O3 나노입자혼합분말, 분말포위추출, 응고성형, 열간압연, 열처리.
희토류 첨가법 : 나노스케일 첨가이산화이소(Y2O3)고에너지 볼 밀링을 위한 모합금 분무 분말에 입자를 첨가하고, 볼 밀링 매체는 Φ 6 및 Φ 10 혼합 경강구이며, 볼 밀링 분위기는 아르곤 가스 99.99%, 볼 재료 질량비는 (8-10):1, 볼 밀링 시간은 40-70시간, 회전 속도는 350-500 r/min이다.
3) 중성자 방사선 보호 재료 제조에 사용
① 중성자 방사선 방호의 원리
중성자는 원자핵의 구성 요소로, 정지 질량은 1.675 × 10^-27kg으로 전자 질량의 1838배입니다. 반지름은 약 0.8 × 10^-15m로 양성자와 크기가 비슷하며, 감마선과도 유사합니다. 중성자는 물질과 상호 작용할 때 주로 핵 내부의 핵력과 상호 작용하며, 최외각 전자와는 상호 작용하지 않습니다.
원자력 에너지와 원자로 기술의 급속한 발전으로 핵 방사선 안전 및 방호에 대한 관심이 점점 더 높아지고 있습니다. 오랫동안 방사선 장비 정비 및 사고 구조에 종사해 온 작업자의 방사선 방호를 강화하기 위해 방호복용 경량 차폐 복합재를 개발하는 것은 매우 중요한 과학적 의의와 경제적 가치를 지닙니다. 중성자 방사선은 원자로 방사선에서 가장 중요한 부분입니다. 일반적으로 사람과 직접 접촉하는 대부분의 중성자는 원자로 내부 구조 재료의 중성자 차폐 효과에 의해 저에너지 중성자로 감속됩니다. 저에너지 중성자는 원자 번호가 낮은 원자핵과 탄성적으로 충돌하여 계속 감속됩니다. 감속된 열중성자는 중성자 흡수 단면적이 더 큰 원소에 흡수되어 최종적으로 중성자 차폐가 달성됩니다.
② 핵심특허 연구
다공성 및 유기-무기 하이브리드 특성희토류 원소가돌리늄금속 유기 골격 재료를 기반으로 한 복합 재료는 폴리에틸렌과의 상용성을 높여 합성된 복합 재료의 가돌리늄 함량과 가돌리늄 분산도를 높입니다. 높은 가돌리늄 함량과 분산도는 복합 재료의 중성자 차폐 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
핵심특허: 중국과학원 허페이재료과학원, 가돌리늄 기반 유기골격 복합차폐재 및 그 제조방법 발명특허
특허요약: 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 차폐재는 혼합하여 형성된 복합 재료입니다.가돌리늄폴리에틸렌과 2:1:10의 중량비로 혼합된 금속 유기 골격 재료를 용매 증발 또는 열압착을 통해 성형한 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 차폐재입니다. 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 차폐재는 높은 열 안정성과 열중성자 차폐 능력을 가지고 있습니다.
제조 공정: 다양한 선택가돌리늄 금속염과 유기 리간드를 사용하여 다양한 유형의 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 재료를 제조 및 합성하고, 이를 메탄올, 에탄올 또는 물의 소분자로 원심분리하여 세척한 후, 진공 조건 하에서 고온에서 활성화하여 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 재료의 기공에 남아 있는 반응하지 않은 원료를 완전히 제거합니다. 단계에서 제조한 가돌리늄 기반 유기 금속 골격 재료를 폴리에틸렌 로션과 함께 고속 또는 초음파로 교반하거나, 단계에서 제조한 가돌리늄 기반 유기 금속 골격 재료를 초고분자량 폴리에틸렌과 고온에서 용융 블렌딩하여 완전히 혼합합니다. 균일하게 혼합한 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 재료/폴리에틸렌 혼합물을 금형에 넣고 용매 증발을 촉진하기 위해 건조하거나 열 압착하여 형성된 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 차폐 재료를 얻습니다. 제조된 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 차폐 재료는 순수 폴리에틸렌 재료와 비교하여 내열성, 기계적 특성 및 열 중성자 차폐 능력이 크게 향상되었습니다.
희토류 첨가 모드: 가돌리늄을 함유하는 Gd2(BHC)(H2O)6, Gd(BTC)(H2O)4 또는 Gd(BDC)1.5(H2O)2 다공성 결정질 배위 중합체로서, 이는 가돌리늄의 배위 중합에 의해 얻어진다.Gd(NO3)3•6H2O 또는 GdCl3•6H2O및 유기 카르복실레이트 리간드; 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질의 크기는 50nm-2μm입니다. 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질은 입자 모양, 막대 모양 또는 바늘 모양을 포함한 다양한 형태를 갖습니다.
（4）의 적용스칸듐방사화학 및 핵 산업 분야
스칸듐 금속은 열적 안정성이 좋고 불소 흡수 성능이 강해 원자력 산업에 없어서는 안 될 소재입니다.
핵심특허: 중국항공우주개발 베이징항공재료연구소, 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금 및 그 제조방법에 대한 발명특허
특허 요약: 알루미늄 아연마그네슘 스칸듐 합금및 그 제조 방법.알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금의 화학 조성 및 중량 백분율은 다음과 같습니다: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, 불순물 Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, 기타 불순물 단일 ≤ 0.05%, 기타 불순물 총 ≤ 0.15%, 나머지는 Al입니다.이 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금 소재의 미세 구조는 균일하고 성능이 안정적이며 최대 인장 강도는 400MPa 이상, 항복 강도는 350MPa 이상, 용접 접합부의 인장 강도는 370MPa 이상입니다.소재 제품은 항공우주, 원자력 산업, 운송, 스포츠 용품, 무기 및 기타 분야에서 구조 요소로 사용할 수 있습니다.
제조 공정: 1단계, 상기 합금 조성에 따른 성분; 2단계: 700℃~780℃의 온도에서 용해로에서 용융; 3단계: 완전히 녹은 금속 액체를 정제하고, 정제하는 동안 금속 온도를 700℃~750℃의 범위 내로 유지; 4단계: 정제 후 완전히 정치시킨다; 5단계: 완전히 정치한 후 주조를 시작하고, 노 온도를 690℃~730℃의 범위 내로 유지하고, 주조 속도는 15~200mm/분이다; 6단계: 가열로에서 합금 잉곳에 대해 균질화 어닐링 처리를 실시하고, 균질화 온도는 400℃~470℃이다; 7단계: 균질화된 잉곳을 벗겨내고 열간 압출을 실시하여 두께 2.0mm 이상의 프로파일을 생산한다. 압출 공정 중 빌렛의 온도는 350℃~410℃로 유지되어야 합니다. 8단계: 460~480℃의 용액 온도에서 용체화 처리를 위해 프로파일을 압착합니다. 9단계: 72시간의 고용체화 후, 수동 강제 시효를 실시합니다. 수동 강제 시효 시스템은 90~110℃/24시간 + 170~180℃/5시간, 또는 90~110℃/24시간 + 145~155℃/10시간입니다.
5. 연구 요약
전반적으로 희토류 원소는 핵융합 및 핵분열에 널리 사용되며, X선 여기, 플라즈마 형성, 경수로, 초우라늄, 우라닐, 산화물 분말 등 기술 분야에서 다수의 특허 레이아웃을 보유하고 있습니다. 원자로 재료의 경우, 희토류 원소는 원자로 구조재 및 관련 세라믹 절연재, 제어재, 중성자 방사선 방호재로 사용될 수 있습니다.
게시일: 2023년 5월 26일