1. 핵물질의 정의
넓은 의미에서 핵물질은 핵연료 및 핵공학 재료, 즉 비핵연료 재료를 포함하여 원자력 산업 및 원자력 과학 연구에만 사용되는 재료에 대한 일반적인 용어입니다.
흔히 말하는 핵물질이란 주로 원자로의 여러 부분에 사용되는 물질을 말하며, 원자로재료라고도 합니다.원자로 재료에는 중성자 충격에 의해 핵분열을 겪는 핵연료, 핵연료 부품용 피복재, 냉각재, 중성자 감속재(감속재), 중성자를 강력하게 흡수하는 제어봉 재료, 중성자가 원자로 외부로 누출되는 것을 방지하는 반사재 등이 있습니다.
2. 희토류 자원과 핵자원의 상호 연관 관계
인산염 및 인산염이라고도 불리는 모나자이트는 중산성 화성암 및 변성암의 일반적인 보조 광물입니다.모나자이트는 희토류 금속광석의 주요 광물 중 하나이며, 일부 퇴적암에도 존재합니다.갈색을 띤 빨간색, 노란색, 때로는 갈색을 띤 노란색이며 기름기 많은 광택이 있고 완전한 분열이 있으며 모스 경도는 5~5.5, 비중은 4.9~5.5입니다.
중국의 일부 사금형 희토류 매장지의 주요 광석 광물은 모나자이트이며 주로 Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan 및 He County, Guangxi에 위치하고 있습니다.그러나 사금형 희토류 자원의 추출은 경제적으로 큰 의미가 없는 경우가 많습니다.단독석은 종종 반사성 토륨 원소를 함유하고 있으며 상업용 플루토늄의 주요 공급원이기도 합니다.
3、 특허 파노라마 분석을 기반으로 한 핵융합 및 핵분열의 희토류 응용 개요
희토류 검색원소의 키워드가 완전히 확장된 후 핵분열 및 핵융합의 확장키와 분류번호와 결합되어 Incopt 데이터베이스에서 검색됩니다.검색일자는 2020년 8월 24일이다. 단순가족합병으로 4,837건의 특허를 취득하였고, 인공소음저감으로 4,673건의 특허를 확정하였다.
핵분열 또는 핵융합 분야의 희토류 특허 출원은 56개 국가/지역에 분포되어 있으며, 주로 일본, 중국, 미국, 독일, 러시아 등에 집중되어 있습니다. 상당수의 특허가 PCT 형식으로 출원되어 있습니다. 특히 2009년부터 중국 특허기술 출원이 증가해 급속한 성장 단계에 진입했고, 일본, 미국, 러시아는 수년간 이 분야에서 계속해서 레이아웃을 진행해 왔다(그림 1).
그림 1 국가/지역별 핵분열 및 핵융합 희토류 응용 관련 기술특허 출원 동향
핵융합 및 핵분열에서 희토류의 응용은 연료 요소, 신틸레이터, 방사선 탐지기, 악티늄화물, 플라즈마, 원자로, 차폐 재료, 중성자 흡수 및 기타 기술 방향에 중점을 두고 있다는 기술 주제 분석을 통해 볼 수 있습니다.
4. 핵물질의 희토류 원소의 구체적인 응용과 주요 특허 연구
그 중에서도 핵물질의 핵융합과 핵분열 반응은 강렬하고, 재료에 대한 요구사항도 엄격합니다.현재 발전용 원자로는 주로 핵분열로이며, 핵융합로는 50년 후에 대규모로 대중화될 수도 있다.의 적용희토류원자로 구조 재료의 요소;특정 핵화학 분야에서는 희토류 원소가 주로 제어봉에 사용됩니다.게다가,스칸듐방사성 화학 및 원자력 산업에서도 사용되었습니다.
(1) 원자로의 중성자 수준과 임계 상태를 조정하기 위한 가연성 독 또는 제어봉
동력로에서 새로운 노심의 초기 잔류 반응도는 일반적으로 상대적으로 높습니다.특히 1차 핵연료 재장전 초기 단계에서는 노심의 핵연료가 모두 새 연료일 때 잔존 반응도가 가장 높다.이 시점에서 잔류 반응도를 보상하기 위해 제어봉을 늘리는 것에만 의존하면 더 많은 제어봉이 도입됩니다.각 제어봉(또는 막대 묶음)은 복잡한 구동 메커니즘의 도입에 해당합니다.이는 한편으로는 비용을 증가시키고, 다른 한편으로는 압력 용기 헤드에 구멍이 생기면 구조적 강도가 저하될 수 있습니다.비경제적일 뿐만 아니라 압력용기 헤드에 일정량의 기공률과 구조적 강도를 갖는 것도 허용되지 않습니다.그러나 제어봉을 늘리지 않고 남은 반응성을 보상하기 위해 화학적 보상 독소(예: 붕산)의 농도를 높여야 합니다.이 경우 붕소 농도가 임계값을 초과하기 쉽고 감속재의 온도 계수는 양의 값이 됩니다.
앞서 언급한 문제를 피하기 위해 일반적으로 가연성 독소, 제어봉 및 화학적 보상 제어를 조합하여 제어할 수 있습니다.
(2) 원자로 구조재료의 성능을 향상시키기 위한 도펀트로서
원자로는 일정 수준의 강도, 내부식성, 높은 열 안정성을 갖추는 동시에 핵분열 생성물이 냉각수에 유입되는 것을 방지하는 구조 부품과 연료 요소가 필요합니다.
1) .희토류강
원자로는 극한의 물리적, 화학적 조건을 갖고 있으며 원자로의 각 구성 요소에도 사용되는 특수강에 대한 요구 사항이 높습니다.희토류 원소는 주로 정화, 변성, 미세 합금화 및 내식성 향상을 포함하여 강철에 특별한 변성 효과를 갖습니다.희토류를 함유한 강철은 원자로에도 널리 사용됩니다.
① 정화 효과: 기존 연구에 따르면 희토류는 고온에서 용강에 좋은 정화 효과가 있는 것으로 나타났습니다.희토류는 용강 속의 산소, 황 등 유해 원소와 반응해 고온 화합물을 생성할 수 있기 때문이다.용강이 응축되기 전에 고온의 화합물을 개재물 형태로 석출 및 배출시켜 용강 중의 불순물 함량을 감소시킬 수 있다.
② 변성작용: 한편, 용강 중의 희토류가 산소, 황 등 유해원소와 반응하여 생성된 산화물, 황화물 또는 산황화물은 용강 중에 일부가 잔류하여 고융점강의 개재물이 될 수 있다. .이러한 개재물은 용강의 응고 과정에서 이질적인 핵생성 중심으로 활용될 수 있어 강의 형상과 구조를 개선할 수 있습니다.
③ 미세합금 : 희토류의 첨가량을 더 늘리면 위의 정제 및 변성과정이 완료된 후 남은 희토류가 강에 용해된다.희토류의 원자 반경은 철 원자의 원자 반경보다 크기 때문에 희토류는 표면 활성이 더 높습니다.용강의 응고 과정에서 희토류 원소가 결정립계에 풍부해 결정립계에서 불순물 원소의 편석을 더 잘 줄여 고용체를 강화하고 미세합금의 역할을 할 수 있습니다.한편, 희토류의 수소 저장 특성으로 인해 강철에 수소를 흡수할 수 있어 강철의 수소 취화 현상을 효과적으로 개선할 수 있습니다.
④ 내식성 향상 : 희토류 원소를 첨가하면 강철의 내식성도 향상시킬 수 있습니다.이는 희토류가 스테인리스강보다 자기 부식 가능성이 더 높기 때문입니다.따라서 희토류를 첨가하면 스테인레스 강의 자체 부식 가능성이 높아져 부식성 매체에서 강의 안정성이 향상됩니다.
2).주요 특허 연구
핵심특허 : 중국과학원 금속연구소의 산화물 분산강화 저활성강 및 그 제조방법 발명특허
특허요약: 저활성도강의 전체 질량 중 합금원소의 비율이 Fe, 0.08% ≤ C ≤ 인 것을 특징으로 하는 핵융합로에 적합한 산화물 분산강화 저활성도강 및 그 제조방법을 제공한다. 0.15%, 8.0% DF Cr 10.0%, 1.1% W W 1.55%, 0.1% V V 0.3%, 0.03% Ta 0.2%, 0.1 Mn 0.6%, 0.05% Y2O3 0.5% .
제조공정 : Fe-Cr-WV-Ta-Mn 모합금 제련, 분말 미립화, 모합금의 고에너지 볼밀링 및Y2O3 나노입자혼합 분말, 분말 포위 추출, 응고 성형, 열간 압연 및 열처리.
희토류 첨가방법 : 나노스케일 첨가Y2O3볼 밀링 매체는 Φ 6 및 Φ 10 혼합 경강 볼이고, 볼 밀링 분위기는 99.99% 아르곤 가스이고, 볼 재료 질량비는 (8- 10): 1, 볼 밀링 시간은 40~70시간, 회전 속도는 350~500r/min입니다.
3) 중성자 방사선 방호 재료 제조에 사용됩니다.
① 중성자 방사선 방호의 원리
중성자는 원자핵의 구성 요소로, 정적 질량은 1.675×10-27kg으로 전자 질량의 1838배입니다.그 반경은 약 0.8 × 10-15m로 크기가 양성자와 유사하며 γ 광선과 유사합니다.중성자가 물질과 상호작용할 때 주로 핵 내부의 핵력과 상호작용하고, 외부 껍질의 전자와는 상호작용하지 않습니다.
원자력 에너지와 원자로 기술의 급속한 발전으로 인해 핵방사선 안전과 핵방사선 방호에 대한 관심이 점점 더 높아지고 있습니다.오랫동안 방사선 장비 유지보수 및 사고 구조 업무에 종사해 온 작업자의 방사선 방호를 강화하기 위해 방호복용 경량 차폐 복합재를 개발하는 것은 과학적 의의와 경제적 가치가 크다.중성자 방사선은 원자로 방사선의 가장 중요한 부분입니다.일반적으로 인간과 직접 접촉하는 중성자의 대부분은 원자로 내부 구조재료의 중성자 차폐 효과로 인해 저에너지 중성자로 감속됐다.저에너지 중성자는 원자번호가 낮은 핵과 탄성적으로 충돌하여 계속해서 완화됩니다.조절된 열 중성자는 중성자 흡수 단면적이 더 큰 원소에 흡수되어 최종적으로 중성자 차폐가 달성됩니다.
② 핵심특허 연구
다공성 및 유기-무기 하이브리드 특성희토류 원소가돌리늄기반 금속 유기 골격 재료는 폴리에틸렌과의 상용성을 증가시켜 합성된 복합 재료가 더 높은 가돌리늄 함량과 가돌리늄 분산을 갖도록 촉진합니다.높은 가돌리늄 함량과 분산은 복합 재료의 중성자 차폐 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
핵심특허 : 중국과학원 허페이재료과학원, 가돌리늄계 유기골격복합 차폐재 및 그 제조방법 발명특허
특허요약: 가돌리늄계 금속유기골격 복합차폐재는 혼합하여 형성된 복합재료이다.가돌리늄폴리에틸렌을 2:1:10의 중량비로 혼합한 금속유기골격체를 용매증발 또는 핫프레싱을 통해 성형한 제품입니다.가돌리늄 기반 금속 유기 골격 복합 차폐 재료는 높은 열 안정성과 열 중성자 차폐 능력을 가지고 있습니다.
제조 공정: 다른 선택가돌리늄 금속염과 유기리간드를 사용하여 다양한 종류의 가돌리늄계 금속유기골격물질을 제조 및 합성하고 이를 저분자 메탄올, 에탄올, 물로 원심분리하여 세척한 후 진공상태에서 고온에서 활성화시켜 잔류하는 미반응 원료를 완전히 제거하는 방법 가돌리늄계 금속 유기 골격 물질의 기공;상기 단계에서 제조된 가돌리늄계 유기금속 골격체를 폴리에틸렌 로션과 함께 고속 또는 초음파로 교반하거나, 단계에서 제조된 가돌리늄계 유기금속 골격체를 초고분자량 폴리에틸렌과 완전히 혼합될 때까지 고온에서 용융 혼합하는 단계;균일하게 혼합된 가돌리늄계 금속 유기 골격재/폴리에틸렌 혼합물을 금형에 넣고, 용매 증발을 촉진시키거나 열간 압착하여 건조시켜 형성된 가돌리늄계 금속 유기 골격 복합 차폐재를 얻는 단계;제조된 가돌리늄계 금속유기골격 복합재 차폐재는 순수 폴리에틸렌 소재에 비해 내열성, 기계적 물성, 열중성자 차폐능력이 월등히 향상되었다.
희토류 첨가방식 : Gd2(BHC)(H2O)6, Gd(BTC)(H2O)4 또는 Gd(BDC)1.5(H2O)2의 배위중합에 의해 얻어지는 가돌리늄을 함유한 다공성 결정배위폴리머Gd(NO3) 3 • 6H2O 또는 GdCl3 • 6H2O및 유기 카르복실레이트 리간드;가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질의 크기는 50nm-2 μm입니다. 가돌리늄 기반 금속 유기 골격 물질은 과립형, 막대형 또는 바늘형 등 다양한 형태를 갖습니다.
(4) 적용스칸듐방사화학 및 원자력 산업 분야
스칸듐 금속은 열 안정성이 좋고 불소 흡수 성능이 강해 원자력 산업에서 없어서는 안 될 재료입니다.
핵심 특허 : 중국 항공 우주 개발 베이징 항공 재료 연구소, 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금 및 그 제조 방법에 대한 발명 특허
특허 요약: 알루미늄 아연마그네슘 스칸듐 합금및 그 제조방법.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% 이하, Fe 0.4% 이하, 기타 불순물 단독 0.05% 이하, 기타 불순물 총량 0.15% 이하, 나머지는 Al이다.이 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금 소재의 미세 구조는 균일하고 성능이 안정적이며 최대 인장 강도는 400MPa 이상, 항복 강도는 350MPa 이상, 용접 조인트의 인장 강도는 370MPa 이상입니다.재료 제품은 항공우주, 원자력 산업, 운송, 스포츠 용품, 무기 및 기타 분야의 구조 요소로 사용될 수 있습니다.
제조 공정: 단계 1, 위의 합금 조성에 따른 성분;2단계: 제련로에서 700℃~780℃의 온도로 녹입니다.제3단계: 완전히 녹은 금속액을 정제하고, 정제하는 동안 금속온도를 700℃~750℃ 범위 내로 유지한다.4단계: 정제 후 완전히 가만히 놓아두어야 합니다.5단계: 완전히 방치한 후 주조를 시작하고 로 온도를 690℃~730℃ 범위 내로 유지하며 주조 속도는 15-200mm/분입니다.6 단계: 합금 주괴를 가열로에서 균질화 온도 400℃~470℃로 균질화 어닐링 처리한다.7단계: 균질화된 잉곳을 껍질을 벗기고 열간 압출을 수행하여 벽 두께가 2.0mm가 넘는 프로파일을 생성합니다.압출 공정 중 빌렛은 350℃~410℃의 온도를 유지해야 합니다.8단계: 용액 온도 460~480℃에서 용액 담금질 처리를 위한 프로파일을 짜냅니다.9단계: 72시간 동안 고용체 담금질을 한 후 수동으로 강제 숙성시킵니다.수동 강제 노화 시스템은 90~110 ℃/24시간+170~180 ℃/5시간 또는 90~110 ℃/24시간+145~155 ℃/10시간입니다.
5、 연구 요약
전체적으로 희토류는 핵융합 및 핵분열에 널리 사용되며 X선 여기, 플라즈마 형성, 경수로, 트랜스우라늄, 우라닐 및 산화물 분말과 같은 기술 방향에서 많은 특허 레이아웃을 보유하고 있습니다.원자로 재료의 경우 희토류는 원자로 구조 재료 및 관련 세라믹 절연 재료, 제어 재료 및 중성자 방사선 보호 재료로 사용될 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 5월 26일