1. Përkufizimi i Materialeve Bërthamore
Në një kuptim të gjerë, materiali bërthamor është termi i përgjithshëm për materialet e përdorura ekskluzivisht në industrinë bërthamore dhe kërkimin shkencor bërthamor, duke përfshirë karburantin bërthamor dhe materialet e inxhinierisë bërthamore, pra materialet jo-bërthamore të karburantit.
Materialet bërthamore që zakonisht quhen materiale bërthamore i referohen kryesisht materialeve të përdorura në pjesë të ndryshme të reaktorit, të njohura edhe si materiale reaktori. Materialet e reaktorit përfshijnë karburantin bërthamor që i nënshtrohet ndarjes bërthamore nën bombardimin e neutroneve, materialet e veshjes për përbërësit e karburantit bërthamor, ftohësit, moderatorët e neutroneve (moderatorët), materialet e shufrave të kontrollit që thithin fuqishëm neutronet dhe materialet reflektuese që parandalojnë rrjedhjen e neutroneve jashtë reaktorit.
2. Marrëdhënia e lidhur midis burimeve të metaleve të rralla dhe burimeve bërthamore
Monaziti, i quajtur edhe fosfocerit dhe fosfocerit, është një mineral ndihmës i zakonshëm në shkëmbinjtë magmatikë acidë të ndërmjetëm dhe shkëmbinjtë metamorfikë. Monaziti është një nga mineralet kryesore të xehes së metaleve të rralla të tokës, dhe ekziston gjithashtu në disa shkëmbinj sedimentarë. I kuq kafe, i verdhë, ndonjëherë i verdhë kafe, me një shkëlqim vajor, copëtim i plotë, fortësi Mohs prej 5-5.5 dhe gravitet specifik prej 4.9-5.5.
Minerali kryesor xeheror i disa depozitave të tokave të rralla të tipit placer në Kinë është monaziti, i vendosur kryesisht në Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan dhe Qarkun He, Guangxi. Megjithatë, nxjerrja e burimeve të tokave të rralla të tipit placer shpesh nuk ka rëndësi ekonomike. Gurët e vetmuar shpesh përmbajnë elementë toriumi refleksiv dhe janë gjithashtu burimi kryesor i plutoniumit komercial.
3, Përmbledhje e aplikimit të metaleve të rralla në bashkimin bërthamor dhe ndarjen bërthamore bazuar në analizën panoramike të patentave
Pasi fjalët kyçe të kërkimit të elementëve të rrallë të tokës zgjerohen plotësisht, ato kombinohen me çelësat e zgjerimit dhe numrat e klasifikimit të ndarjes bërthamore dhe bashkimit bërthamor, dhe kërkohen në bazën e të dhënave Incopt. Data e kërkimit është 24 gusht 2020. 4837 patenta u morën pas bashkimit të thjeshtë të familjeve, dhe 4673 patenta u përcaktuan pas reduktimit artificial të zhurmës.
Aplikimet për patentë për metale të rralla në fushën e ndarjes bërthamore ose bashkimit bërthamor janë të shpërndara në 56 vende/rajone, kryesisht të përqendruara në Japoni, Kinë, Shtetet e Bashkuara, Gjermani dhe Rusi, etj. Një numër i konsiderueshëm patentash janë aplikuar në formën e PCT-së, nga të cilat aplikimet kineze për teknologji patentash janë rritur, veçanërisht që nga viti 2009, duke hyrë në një fazë rritjeje të shpejtë, dhe Japonia, Shtetet e Bashkuara dhe Rusia kanë vazhduar të shtrihen në këtë fushë për shumë vite (Figura 1).
Figura 1 Trendi i aplikimit të patentave të teknologjisë në lidhje me aplikimin e metaleve të rralla në ndarjen bërthamore dhe bashkimin bërthamor në vende/rajone
Nga analiza e temave teknike mund të shihet se zbatimi i metaleve të rralla të tokës në bashkimin bërthamor dhe ndarjen bërthamore përqendrohet në elementët e karburantit, scintilatorët, detektorët e rrezatimit, aktinidet, plazmat, reaktorët bërthamorë, materialet mbrojtëse, thithjen e neutroneve dhe drejtime të tjera teknike.
4, Zbatime Specifike dhe Hulumtime Kryesore të Patentave të Elementeve të Rralla të Tokës në Materialet Bërthamore
Midis tyre, reaksionet e bashkimit bërthamor dhe ndarjes bërthamore në materialet bërthamore janë intensive, dhe kërkesat për materialet janë të rrepta. Aktualisht, reaktorët e energjisë janë kryesisht reaktorë të ndarjes bërthamore, dhe reaktorët e bashkimit mund të popullarizohen në një shkallë të gjerë pas 50 vjetësh. Zbatimi itokë e rrallëelementët në materialet strukturore të reaktorit; Në fusha specifike kimike bërthamore, elementët e rrallë të tokës përdoren kryesisht në shufrat e kontrollit; Përveç kësaj,skandiumështë përdorur gjithashtu në radiokimi dhe industrinë bërthamore.
(1) Si helm i djegshëm ose shufër kontrolli për të rregulluar nivelin e neutroneve dhe gjendjen kritike të reaktorit bërthamor
Në reaktorët e energjisë, reaktiviteti fillestar i mbetur i bërthamave të reja është përgjithësisht relativisht i lartë. Sidomos në fazat e hershme të ciklit të parë të furnizimit me karburant, kur i gjithë karburanti bërthamor në bërthamë është i ri, reaktiviteti i mbetur është më i larti. Në këtë pikë, mbështetja vetëm në rritjen e shufrave të kontrollit për të kompensuar reaktivitetin e mbetur do të futte më shumë shufra kontrolli. Çdo shufër kontrolli (ose tufë shufrash) korrespondon me futjen e një mekanizmi kompleks lëvizës. Nga njëra anë, kjo rrit kostot, dhe nga ana tjetër, hapja e vrimave në kokën e enës nën presion mund të çojë në një ulje të forcës strukturore. Jo vetëm që është joekonomike, por gjithashtu nuk lejohet të ketë një sasi të caktuar poroziteti dhe force strukturore në kokën e enës nën presion. Megjithatë, pa rritur shufrat e kontrollit, është e nevojshme të rritet përqendrimi i toksinave kompensuese kimike (si acidi borik) për të kompensuar reaktivitetin e mbetur. Në këtë rast, është e lehtë që përqendrimi i borit të kalojë pragun, dhe koeficienti i temperaturës së moderatorit do të bëhet pozitiv.
Për të shmangur problemet e lartpërmendura, një kombinim i toksinave të djegshme, shufrave të kontrollit dhe kontrollit të kompensimit kimik mund të përdoret përgjithësisht për kontroll.
(2) Si një dopant për të përmirësuar performancën e materialeve strukturore të reaktorit
Reaktorët kërkojnë që përbërësit strukturorë dhe elementët e karburantit të kenë një nivel të caktuar fortësie, rezistencë ndaj korrozionit dhe stabilitet të lartë termik, ndërkohë që parandalojnë gjithashtu hyrjen e produkteve të ndarjes në ftohës.
1) Çelik i rrallë
Reaktori bërthamor ka kushte ekstreme fizike dhe kimike, dhe çdo komponent i reaktorit ka gjithashtu kërkesa të larta për çelikun special të përdorur. Elementet e rrallë të tokës kanë efekte të veçanta modifikimi në çelik, kryesisht duke përfshirë pastrimin, metamorfizmin, mikroaliazhimin dhe përmirësimin e rezistencës ndaj korrozionit. Çeliqet që përmbajnë shumë pak tokë përdoren gjithashtu gjerësisht në reaktorët bërthamorë.
① Efekti i pastrimit: Hulumtimet ekzistuese kanë treguar se metalet e rralla të tokës kanë një efekt të mirë pastrimi në çelikun e shkrirë në temperatura të larta. Kjo për shkak se metalet e rralla të tokës mund të reagojnë me elementë të dëmshëm si oksigjeni dhe squfuri në çelikun e shkrirë për të gjeneruar komponime të temperaturës së lartë. Komponimet e temperaturës së lartë mund të precipitojnë dhe shkarkohen në formën e përfshirjeve përpara se çeliku i shkrirë të kondensohet, duke zvogëluar kështu përmbajtjen e papastërtive në çelikun e shkrirë.
2 Metamorfizmi: Nga ana tjetër, oksidet, sulfidet ose oksisulfidet e gjeneruara nga reagimi i metaleve të rralla në çelikun e shkrirë me elementë të dëmshëm si oksigjeni dhe squfuri mund të mbahen pjesërisht në çelikun e shkrirë dhe të bëhen përfshirje të çelikut me pikë të lartë shkrirjeje. Këto përfshirje mund të përdoren si qendra heterogjene të formimit të bërthamave gjatë ngurtësimit të çelikut të shkrirë, duke përmirësuar kështu formën dhe strukturën e çelikut.
③ Mikroaliazhimi: nëse shtimi i metaleve të rralla të tokës rritet më tej, metalet e rralla të mbetura do të treten në çelik pasi të përfundojnë pastrimi dhe metamorfizmi i mësipërm. Meqenëse rrezja atomike e metaleve të rralla të tokës është më e madhe se ajo e atomit të hekurit, metalet e rralla të tokës kanë aktivitet sipërfaqësor më të lartë. Gjatë procesit të ngurtësimit të çelikut të shkrirë, elementët e rrallë të tokës pasurohen në kufirin e kokrrizave, gjë që mund të zvogëlojë më mirë ndarjen e elementëve të papastërtive në kufirin e kokrrizave, duke forcuar kështu tretësirën e ngurtë dhe duke luajtur rolin e mikroaliazhimit. Nga ana tjetër, për shkak të karakteristikave të ruajtjes së hidrogjenit të metaleve të rralla të tokës, ato mund të thithin hidrogjenin në çelik, duke përmirësuar kështu në mënyrë efektive fenomenin e brishtësisë së hidrogjenit të çelikut.
④ Përmirësimi i rezistencës ndaj korrozionit: Shtimi i elementëve të rrallë të tokës mund të përmirësojë gjithashtu rezistencën ndaj korrozionit të çelikut. Kjo për shkak se elementët e rrallë të tokës kanë një potencial më të lartë vetë-korrozioni sesa çeliku inox. Prandaj, shtimi i elementëve të rrallë të tokës mund të rrisë potencialin vetë-korrozioni të çelikut inox, duke përmirësuar kështu stabilitetin e çelikut në mjedise korrozive.
2). Studimi Kryesor i Patentës
Patentë kryesore: patentë shpikjeje e një çeliku me aktivizim të ulët të përforcuar me shpërndarje oksidi dhe metoda e përgatitjes së tij nga Instituti i Metaleve, Akademia Kineze e Shkencave
Abstrakt i patentës: Ofrohet një çelik me aktivizim të ulët i përforcuar me shpërndarje oksidi i përshtatshëm për reaktorët e shkrirjes dhe metoda e përgatitjes së tij, i karakterizuar nga fakti që përqindja e elementëve të aliazhit në masën totale të çelikut me aktivizim të ulët është: matrica është 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% dhe 0.05% ≤ Y2O3 ≤ 0.5%.
Procesi i prodhimit: Shkrirja e aliazhit amë Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizimi i pluhurit, bluarja me sfera me energji të lartë e aliazhit amë dheNanopjesëza Y2O3pluhur i përzier, nxjerrje mbështjellëse pluhuri, formësim i ngurtësimit, petëzim i nxehtë dhe trajtim termik.
Metoda e shtimit të tokës së rrallë: Shtoni nanoshkalëY2O3grimcat në pluhurin e atomizuar të aliazhit mëmë për bluarje me sfera me energji të lartë, me mjedisin e bluarjes me sfera që është prej sferash çeliku të fortë të përziera Φ6 dhe Φ10, me një atmosferë bluarjeje me sfera prej 99.99% gaz argoni, një raport mase të materialit të sferës prej (8-10): 1, një kohë bluarjeje me sfera prej 40-70 orësh dhe një shpejtësi rrotullimi prej 350-500 r/min.
3). Përdoret për të bërë materiale mbrojtëse nga rrezatimi neutron.
① Parimi i mbrojtjes nga rrezatimi i neutroneve
Neutronet janë përbërës të bërthamave atomike, me një masë statike prej 1.675 × 10-27 kg, që është 1838 herë masa elektronike. Rrezja e saj është afërsisht 0.8 × 10-15 m, e ngjashme në madhësi me një proton, e ngjashme me rrezet γ janë po aq të pangarkuara. Kur neutronet bashkëveprojnë me materien, ato kryesisht bashkëveprojnë me forcat bërthamore brenda bërthamës dhe nuk bashkëveprojnë me elektronet në shtresën e jashtme.
Me zhvillimin e shpejtë të energjisë bërthamore dhe teknologjisë së reaktorëve bërthamorë, i është kushtuar gjithnjë e më shumë vëmendje sigurisë nga rrezatimi bërthamor dhe mbrojtjes nga rrezatimi bërthamor. Për të forcuar mbrojtjen nga rrezatimi për operatorët që janë angazhuar në mirëmbajtjen e pajisjeve të rrezatimit dhe shpëtimin në rast aksidentesh për një kohë të gjatë, është me rëndësi të madhe shkencore dhe vlerë ekonomike të zhvillohen kompozite mbrojtëse të lehta për veshjet mbrojtëse. Rrezatimi i neutroneve është pjesa më e rëndësishme e rrezatimit të reaktorit bërthamor. Në përgjithësi, shumica e neutroneve në kontakt të drejtpërdrejtë me qeniet njerëzore janë ngadalësuar në neutrone me energji të ulët pas efektit mbrojtës të neutroneve të materialeve strukturore brenda reaktorit bërthamor. Neutronet me energji të ulët do të përplasen me bërthama me numër atomik më të ulët në mënyrë elastike dhe do të vazhdojnë të moderohen. Neutronet termike të moderuara do të absorbohen nga elementë me prerje tërthore më të mëdha të thithjes së neutroneve, dhe së fundmi do të arrihet mbrojtja nga neutronet.
② Studimi Kryesor i Patentave
Vetitë hibride poroze dhe organike-inorganike tëelement i rrallë tokësorgadoliniumMaterialet e skeletit organik me bazë metali rrisin përputhshmërinë e tyre me polietilenin, duke nxitur materialet kompozite të sintetizuara të kenë përmbajtje dhe shpërndarje më të lartë të gadoliniumit. Përmbajtja dhe shpërndarja e lartë e gadoliniumit do të ndikojnë drejtpërdrejt në performancën mbrojtëse të neutroneve të materialeve kompozite.
Patenta kryesore: Instituti Hefei i Shkencave të Materialeve, Akademia Kineze e Shkencave, patentë shpikjeje e një materiali mbrojtës kompozit për strukturë organike me bazë gadoliniumi dhe metoda e përgatitjes së tij.
Abstrakt i Patentës: Materiali mbrojtës kompozit i skeletit organik metalik me bazë gadoliniumi është një material kompozit i formuar nga përzierjagadoliniummaterial skeletor organik metalik me bazë polietileni në një raport peshe prej 2:1:10 dhe formimi i tij nëpërmjet avullimit të tretësit ose presimit të nxehtë. Materialet mbrojtëse kompozite të skeletit organik metalik me bazë gadoliniumi kanë stabilitet të lartë termik dhe aftësi mbrojtëse termike ndaj neutroneve.
Procesi i prodhimit: zgjedhja e ndryshmemetali gadoliniumkripëra dhe ligandë organikë për të përgatitur dhe sintetizuar lloje të ndryshme të materialeve skeletore organike metalike me bazë gadoliniumi, duke i larë ato me molekula të vogla metanoli, etanoli ose uji me anë të centrifugimit dhe duke i aktivizuar ato në temperaturë të lartë në kushte vakumi për të hequr plotësisht lëndët e para të mbetura të pareaguara në poret e materialeve skeletore organike metalike me bazë gadoliniumi; Materiali skeletor organometalik me bazë gadoliniumi i përgatitur në hap përzihet me locion polietileni me shpejtësi të lartë ose me ultratinguj, ose materiali skeletor organometalik me bazë gadoliniumi i përgatitur në hap përzihet me polietileni me peshë molekulare ultra të lartë në temperaturë të lartë derisa të përzihet plotësisht; Vendosni përzierjen e përzier në mënyrë uniforme të materialit skeletor organik metalik me bazë gadoliniumi/polietileni në formë dhe merrni materialin mbrojtës të përbërë të skeletit organik metalik me bazë gadoliniumi të formuar duke tharë për të nxitur avullimin e tretësit ose shtypjen e nxehtë; Materiali mbrojtës i përbërë i skeletit organik metalik me bazë gadoliniumi i përgatitur ka përmirësuar ndjeshëm rezistencën ndaj nxehtësisë, vetitë mekanike dhe aftësinë mbrojtëse superiore ndaj neutroneve termike krahasuar me materialet e pastra të polietilenit.
Modaliteti i shtimit të elementëve të rrallë të tokës: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 ose Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimer koordinimi kristalor poroz që përmban gadolinium, i cili përftohet nga polimerizimi koordinues iGd (NO3)3 • 6H2O ose GdCl3 • 6H2Odhe ligand karboksilat organik; Madhësia e materialit skeletor organik metalik me bazë gadoliniumi është 50nm-2 μ m; Materialet skeletore organike metalike me bazë gadoliniumi kanë morfologji të ndryshme, duke përfshirë format granulare, në formë shufre ose në formë gjilpëre.
(4) Zbatimi iSkandiumnë Radiokimi dhe industrinë bërthamore
Metali i skandiumit ka stabilitet të mirë termik dhe performancë të fortë të thithjes së fluorit, duke e bërë atë një material të domosdoshëm në industrinë e energjisë atomike.
Patenta kryesore: Zhvillimi Hapësinor Hapësinor i Kinës, Instituti i Materialeve Aeronautike të Pekinit, patentë shpikjeje për një aliazh alumini-zinku-magnezi-skandiumi dhe metoda e përgatitjes së tij.
Abstrakt i patentës: Një alumini zinkualiazh magnezi dhe skandiumidhe metoda e përgatitjes së tij. Përbërja kimike dhe përqindja në peshë e lidhjes së aluminit, zink-magnezit, skandiumit janë: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, papastërtitë Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, papastërtitë e tjera të vetme ≤ 0.05%, papastërtitë e tjera totale ≤ 0.15%, dhe sasia e mbetur është Al. Mikrostruktura e këtij materiali të lidhjes së aluminit, zink-magnezit, skandiumit është uniforme dhe performanca e tij është e qëndrueshme, me një rezistencë maksimale në tërheqje mbi 400MPa, një rezistencë në rrjedhje mbi 350MPa dhe një rezistencë në tërheqje mbi 370MPa për nyjet e salduara. Produktet materiale mund të përdoren si elementë strukturorë në industrinë ajrore, bërthamore, transport, mallra sportive, armë dhe fusha të tjera.
Procesi i prodhimit: Hapi 1, përbërësi sipas përbërjes së aliazhit të mësipërm; Hapi 2: Shkrihet në furrën e shkrirjes në një temperaturë prej 700 ℃~780 ℃; Hapi 3: Rafinohet lëngu metalik i shkrirë plotësisht dhe mbahet temperatura e metalit brenda intervalit 700 ℃~750 ℃ gjatë rafinimit; Hapi 4: Pas rafinimit, duhet të lihet plotësisht të qëndrojë i qetë; Hapi 5: Pasi të qëndrojë plotësisht, fillon derdhja, mbahet temperatura e furrës brenda intervalit 690 ℃~730 ℃ dhe shpejtësia e derdhjes është 15-200 mm/minutë; Hapi 6: Kryehet trajtimi i homogjenizimit dhe pjekjes në shufrën e aliazhit në furrën e ngrohjes, me një temperaturë homogjenizimi prej 400 ℃~470 ℃; Hapi 7: Qërohet shufra e homogjenizuar dhe kryhet ekstrudim i nxehtë për të prodhuar profile me një trashësi muri mbi 2.0 mm. Gjatë procesit të ekstrudimit, shufra duhet të mbahet në një temperaturë prej 350 ℃ deri në 410 ℃; Hapi 8: Shtrydhni profilin për trajtimin e shuarjes në tretësirë, me një temperaturë tretësire prej 460-480 ℃; Hapi 9: Pas 72 orësh shuarjeje në tretësirë të ngurtë, kryeni plakjen me forcë manuale. Sistemi i plakjes me forcë manuale është: 90~110 ℃/24 orë + 170~180 ℃/5 orë, ose 90~110 ℃/24 orë + 145~155 ℃/10 orë.
5, Përmbledhje e Hulumtimit
Në përgjithësi, metalet e rralla të tokës përdoren gjerësisht në bashkimin bërthamor dhe ndarjen bërthamore, dhe kanë shumë patenta në drejtime të tilla teknike si ngacmimi me rreze X, formimi i plazmës, reaktori me ujë të lehtë, transuraniumi, uranili dhe pluhuri i oksidit. Sa i përket materialeve të reaktorit, metalet e rralla të tokës mund të përdoren si materiale strukturore të reaktorit dhe materiale izoluese qeramike të lidhura, materiale kontrolli dhe materiale mbrojtëse nga rrezatimi i neutroneve.
Koha e postimit: 26 maj 2023