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 lëndët djegëse bërthamore dhe materialet e inxhinierisë bërthamore, dmth. materialet e karburantit jo bërthamor.
Materialet bërthamore të referuara zakonisht u referohen materialeve të përdorura në pjesë të ndryshme të reaktorit, të njohura gjithashtu si materiale reaktorësh.Materialet e reaktorit përfshijnë karburantin bërthamor që i nënshtrohet ndarjes bërthamore nën bombardimin e neutroneve, materialet e veshjes për komponentët e karburantit bërthamor, ftohësit, moderatorët e neutronit (moderatorët), materialet e shufrës së kontrollit që thithin fuqishëm neutronet dhe materialet reflektuese që parandalojnë rrjedhjen e neutronit jashtë reaktorit.
2, Marrëdhënia e përbashkët midis burimeve të tokës së rrallë dhe burimeve bërthamore
Monaziti, i quajtur gjithashtu fosfocerit dhe fosfocerit, është një mineral i zakonshëm ndihmës në shkëmbin ndezës acid të ndërmjetëm dhe shkëmbinj metamorfik.Monaziti është një nga mineralet kryesore të mineralit të metaleve të rralla dhe ekziston gjithashtu në disa shkëmbinj sedimentarë.E kuqe kafe, e verdhë, ndonjëherë e verdhë kafe, me një shkëlqim të yndyrshëm, copëtim të plotë, fortësi Mohs 5-5,5 dhe peshë specifike 4,9-5,5.
Minerali kryesor xeheror i disa depozitave të tokës së rrallë të llojit placer në Kinë është monaziti, i vendosur kryesisht në Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan dhe He County, Guangxi.Megjithatë, nxjerrja e burimeve të tokës së rrallë 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 tokës së rrallë në shkrirjen bërthamore dhe ndarjen bërthamore bazuar në analizën panoramike të patentave
Pasi fjalët kyçe të elementeve të kërkimit të tokës së rrallë janë zgjeruar plotësisht, ato kombinohen me çelësat e zgjerimit dhe numrat e klasifikimit të ndarjes bërthamore dhe shkrirjes bërthamore dhe kërkohen në bazën e të dhënave Incopt.Data e kërkimit është 24 gusht 2020. 4837 patenta janë marrë pas bashkimit të thjeshtë familjar dhe 4673 patenta janë përcaktuar pas reduktimit artificial të zhurmës.
Aplikimet për patentë për tokë të rrallë në fushën e ndarjes bërthamore ose shkrirjes bërthamore shpërndahen në 56 vende/rajone, të përqendruara kryesisht në Japoni, Kinë, Shtetet e Bashkuara, Gjermani dhe Rusi, etj. Një numër i konsiderueshëm patentash aplikohen në formën e PCT , nga të cilat aplikimet e teknologjisë së patentave kineze janë rritur, veçanërisht që nga viti 2009, duke hyrë në një fazë të rritjes së 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 teknologjike në lidhje me aplikimin e tokës së rrallë në ndarjen bërthamore dhe shkrirjen bërthamore në vende/rajone
Nga analiza e temave teknike mund të shihet se aplikimi i tokës së rrallë në shkrirjen bërthamore 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, Aplikacionet specifike dhe hulumtimi kryesor i patentave të elementeve të rralla të tokës në materialet bërthamore
Midis tyre, reaksionet e shkrirjes bërthamore dhe të ndarjes bërthamore në materialet bërthamore janë intensive, dhe kërkesat për materialet janë strikte.Aktualisht, reaktorët e energjisë janë kryesisht reaktorë të ndarjes bërthamore dhe reaktorët e shkrirjes mund të popullarizohen në një shkallë të gjerë pas 50 vjetësh.Aplikimi itokë e rrallëelemente në materialet strukturore të reaktorit;Në fusha specifike kimike bërthamore, elementët e tokës së rrallë përdoren kryesisht në shufrat e kontrollit;Përveç kësaj,skandaliështë përdorur gjithashtu në radiokimi dhe industrinë bërthamore.
(1) Si helm i djegshëm ose shufër kontrolli për të rregulluar nivelin e neutronit 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 karburantit, 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 prezantonte më shumë shufra kontrolli.Çdo shufër kontrolli (ose pako shufra) 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 forcë strukturore në kokën e enës nën presion.Megjithatë, pa rritur shufrat e kontrollit, është e nevojshme të rritet përqendrimi i toksinave kimike kompensuese (si acidi borik) për të kompensuar reaktivitetin e mbetur.Në këtë rast, është e lehtë që përqendrimi i borit të tejkalojë 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 në përgjithësi mund të përdoret për kontroll.
(2) Si një dopant për të përmirësuar performancën e materialeve strukturore të reaktorit
Reaktorët kërkojnë që komponentët strukturorë dhe elementët e karburantit të kenë një nivel të caktuar fortësie, rezistencë ndaj korrozionit dhe stabilitet të lartë termik, duke parandaluar gjithashtu hyrjen e produkteve të ndarjes në ftohës.
1) .Çeliku i tokës së rrallë
Reaktori bërthamor ka kushte ekstreme fizike dhe kimike, dhe çdo përbërës i reaktorit gjithashtu ka kërkesa të larta për çelikun special të përdorur.Elementët e tokës së rrallë kanë efekte të veçanta modifikuese në çelik, duke përfshirë kryesisht pastrimin, metamorfizmin, mikroaliazhin dhe përmirësimin e rezistencës ndaj korrozionit.Çeliqet që përmbajnë tokë të rrallë përdoren gjithashtu gjerësisht në reaktorët bërthamorë.
① Efekti i pastrimit: Hulumtimet ekzistuese kanë treguar se tokat e rralla kanë një efekt të mirë pastrimi në çelikun e shkrirë në temperatura të larta.Kjo për shkak se tokat e rralla mund të reagojnë me elementë të dëmshëm si oksigjeni dhe squfuri në çelikun e shkrirë për të gjeneruar komponime me temperaturë të lartë.Komponimet me temperaturë të lartë mund të precipitohen dhe shkarkohen në formën e përfshirjeve përpara se çeliku i shkrirë të kondensohet, duke reduktuar kështu përmbajtjen e papastërtive në çelikun e shkrirë.
② Metamorfizmi: nga ana tjetër, oksidet, sulfidet ose oksisulfidet e krijuara nga reagimi i tokës së rrallë 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 shkrirjeje të lartë. .Këto përfshirje mund të përdoren si qendra heterogjene të bërthamës gjatë ngurtësimit të çelikut të shkrirë, duke përmirësuar kështu formën dhe strukturën e çelikut.
③ Mikroaliazh: nëse shtimi i tokës së rrallë rritet më tej, toka e rrallë e mbetur do të shpërndahet në çelik pasi të ketë përfunduar pastrimi dhe metamorfizmi i mësipërm.Meqenëse rrezja atomike e tokës së rrallë është më e madhe se ajo e atomit të hekurit, toka e rrallë ka aktivitet më të lartë sipërfaqësor.Gjatë procesit të ngurtësimit të çelikut të shkrirë, elementët e tokës së rrallë pasurohen në kufirin e kokrrizave, të cilat mund të reduktojnë më mirë ndarjen e elementeve të papastërtive në kufirin e kokrrizave, duke forcuar kështu tretësirën e ngurtë dhe duke luajtur rolin e mikroaliazhit.Nga ana tjetër, për shkak të karakteristikave të ruajtjes së hidrogjenit të tokave të rralla, 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 elementeve të tokës së rrallë mund të përmirësojë gjithashtu rezistencën ndaj korrozionit të çelikut.Kjo për shkak se tokat e rralla kanë një potencial më të lartë vetë-korrozioni sesa çeliku inox.Prandaj, shtimi i tokave të rralla mund të rrisë potencialin e vetë korrozionit të çelikut inox, duke përmirësuar kështu qëndrueshmërinë e çelikut në mjediset korrozive.
2).Studimi i Patentave kryesore
Patenta kryesore: patenta e shpikjes së një çeliku me shpërndarje të oksidit të përforcuar me aktivizim të ulët 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 dispersion oksid i përshtatshëm për reaktorët me shkrirje dhe metoda e përgatitjes së tij, e karakterizuar në atë që përqindja e elementeve 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 ≤ ≤ 0,2%, dhe ≤ 0,1% ≤0 Mn ≤ 0,5% .
Procesi i prodhimit: shkrirja e aliazhit mëmë Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizimi i pluhurit, bluarja e topave me energji të lartë të aliazhit mëmë dheNanogrimca Y2O3pluhur i përzier, nxjerrje mbështjellëse pluhuri, formim i ngurtësimit, rrotullim i nxehtë dhe trajtim termik.
Metoda e shtimit të tokës së rrallë: Shtoni nanoshkallëY2O3grimcat në pluhurin e atomizuar të aliazhit mëmë për bluarjen e topave me energji të lartë, me topa të forta të përziera prej çeliku Φ 6 dhe Φ 10, me një atmosferë bluarjeje me top prej 99,99% gaz argon, një raport i masës së materialit të topit prej (8- 10): 1, koha e bluarjes së topit 40-70 orë dhe shpejtësia e rrotullimit 350-500 r/min.
3）. Përdoret për të bërë materiale mbrojtëse nga rrezatimi neutron
① Parimi i mbrojtjes nga rrezatimi neutron
Neutronet janë përbërës të bërthamave atomike, me një masë statike prej 1,675 × 10-27 kg, që është 1838 herë më e madhe se masa elektronike.Rrezja e tij është afërsisht 0,8 × 10-15 m, e ngjashme në madhësi me një proton, e ngjashme me γ Rrezet janë po aq të pakarikuara.Kur neutronet ndërveprojnë me lëndën, ato kryesisht ndërveprojnë me forcat bërthamore brenda bërthamës dhe nuk ndërveprojnë me elektronet në shtresën e jashtme.
Me zhvillimin e shpejtë të energjisë bërthamore dhe teknologjisë së reaktorëve bërthamorë, gjithnjë e më shumë vëmendje i është kushtuar sigurisë nga rrezatimi bërthamor dhe mbrojtjes nga rrezatimi bërthamor.Për të forcuar mbrojtjen nga rrezatimi për operatorët që janë angazhuar në mirëmbajtjen e pajisjeve nga rrezatimi dhe shpëtimin nga aksidentet për një kohë të gjatë, është me rëndësi të madhe shkencore dhe vlerë ekonomike të zhvillohen kompozita mbrojtëse të lehta për veshje mbrojtëse.Rrezatimi neutron 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 të mbrojtjes së 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 jenë të moderuara.Neutronet termike të moderuara do të përthithen nga elementë me seksion kryq të përthithjes së neutroneve dhe më në fund do të arrihet mbrojtja e neutroneve.
② Studimi i Patentave kryesore
Vetitë hibride poroze dhe organike-inorganike tëelement i rrallë i tokësgadoliniummaterialet e skeletit organik metalik me bazë rrisin përputhshmërinë e tyre me polietilenin, duke nxitur që materialet e përbëra të sintetizuara të kenë përmbajtje më të lartë gadolinium dhe shpërndarje gadolinium.Përmbajtja e lartë e gadoliniumit dhe dispersioni do të ndikojnë drejtpërdrejt në performancën e mbrojtjes së neutronit të materialeve të përbëra.
Patenta kryesore: Instituti i Shkencave Materiale Hefei, Akademia e Shkencave Kineze, patenta e shpikjes së një materiali mbrojtës të përbërë organik me bazë gadolinium dhe metoda e përgatitjes së tij
Abstrakt i patentës: Materiali mbrojtës i përbërë nga skeleti organik metalik me bazë gadolinium është një material i përbërë i formuar nga përzierjagadoliniummaterial skeletor organik metalik me bazë polietileni në raport peshe 2:1:10 dhe formimi i tij nëpërmjet avullimit të tretësit ose shtypjes së nxehtë.Materialet mbrojtëse të përbërë të skeletit organik metalik me bazë gadolinium kanë qëndrueshmëri të lartë termike dhe aftësi të mbrojtjes termike të neutroneve.
Procesi i prodhimit: përzgjedhja e ndryshmemetal gadoliniumkripëra dhe ligandë organikë për të përgatitur dhe sintetizuar lloje të ndryshme të materialeve të skeleteve organike metalike me bazë gadolinium, duke i larë ato me molekula të vogla metanol, etanol ose ujë me anë të centrifugimit dhe aktivizimin e tyre në temperaturë të lartë në kushte vakum për të hequr plotësisht lëndët e para të mbetura të pa reaguara në poret e materialeve të skeletit organik metalik me bazë gadolinium;Materiali i skeletit organometalik me bazë gadolinium i përgatitur në hap përzihet me locion polietileni me shpejtësi të lartë ose në mënyrë ultrasonike, ose materiali i skeletit organometalik me bazë gadolinium i përgatitur në hap shkrihet me polietileni me peshë molekulare ultra të lartë në temperaturë të lartë derisa të përzihet plotësisht;Vendoseni në kallëp materialin e skeletit organik metalik me bazë gadolinium të përzier në mënyrë uniforme/përzierjen e polietilenit dhe merrni materialin mbrojtës të përbërë të skeletit organik metalik me bazë gadolinium, duke u tharë për të nxitur avullimin e tretësit ose shtypjen e nxehtë;Materiali mbrojtës i përbërë nga skeleti organik metalik i përgatitur me bazë gadolinium ka përmirësuar ndjeshëm rezistencën ndaj nxehtësisë, vetitë mekanike dhe aftësinë më të lartë të mbrojtjes termike të neutronit në krahasim me materialet e pastër polietileni.
Mënyra e shtimit të tokës së rrallë: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 ose Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 polimer koordinues kristalor poroz që përmban gadolinium, i cili përftohet nga polimerizimi koordinues iGd (NO3) 3 • 6H2O ose GdCl3 • 6H2Odhe ligand karboksilate organik;Madhësia e materialit të skeletit organik metalik me bazë gadolinium është 50nm-2 μm; Materialet e skeletit organik metalik me bazë gadolinium kanë morfologji të ndryshme, duke përfshirë forma të grimcuara, në formë shufre ose në formë gjilpëre.
(4) Aplikimi iSkandiuminë Radiokimi dhe industrinë bërthamore
Metali skandium ka qëndrueshmëri të mirë termike dhe performancë të fortë të thithjes së fluorit, duke e bërë atë një material të domosdoshëm në industrinë e energjisë atomike.
Patenta kryesore: Zhvillimi i Hapësirës Ajrore të Kinës, Instituti i Materialeve Aeronautike në Pekin, patentë shpikjeje për një aliazh alumini, magnezi, skandiumi dhe metoda e përgatitjes së tij
Abstrakt i patentës: Një zink aluminialiazh skandiumi i magnezitdhe mënyra e përgatitjes së tij.Përbërja kimike dhe përqindja e peshës së lidhjes së magnezit të aluminit të zinkut janë: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, papastërti Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, papastërti të tjera të vetme ≤ 0,05%, papastërti të tjera gjithsej ≤ 0,15%, dhe sasia e mbetur është Al.Mikrostruktura e këtij materiali të aliazhit të magnezit të skandiumit të zinkut të aluminit është uniforme dhe performanca e tij është e qëndrueshme, me një rezistencë përfundimtare në tërheqje mbi 400 MPa, një forcë rendimenti mbi 350 MPa dhe një rezistencë në tërheqje mbi 370 MPa për nyjet e salduara.Produktet materiale mund të përdoren si elementë strukturorë në hapësirën ajrore, industrinë bërthamore, transportin, mallrat sportive, armët 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: Përpunoni lëngun metalik të shkrirë plotësisht dhe mbani temperaturën e metalit brenda intervalit prej 700 ℃ ~ 750 ℃ gjatë rafinimit;Hapi 4: Pas rafinimit, duhet të lihet plotësisht të qëndrojë pa lëvizur;Hapi 5: Pas qëndrimit plotësisht në këmbë, filloni hedhjen, mbani temperaturën e furrës brenda intervalit 690 ℃ ~ 730 ℃, dhe shpejtësia e derdhjes është 15-200 mm / minutë;Hapi 6: Kryeni trajtimin e pjekjes së homogjenizimit në shufrën e aliazhit në furrën e ngrohjes, me një temperaturë homogjenizimi prej 400 ℃~470 ℃;Hapi 7: Qëroni shufrën e homogjenizuar dhe kryeni nxjerrjen e nxehtë për të prodhuar profile me trashësi muri mbi 2.0 mm.Gjatë procesit të nxjerrjes, bileta duhet të mbahet në një temperaturë prej 350 ℃ deri në 410 ℃;Hapi 8: Shtrydhni profilin për trajtimin e shuarjes së tretësirës, me një temperaturë tretësire prej 460-480 ℃;Hapi 9: Pas 72 orësh shuarje të tretësirës së ngurtë, detyrojeni manualisht plakjen.Sistemi i plakjes së forcës manuale është: 90~110 ℃/24 orë+170~180 ℃/5 orë, ose 90~110 ℃/24 orë+145~155 ℃/10 orë.
5, Përmbledhja e Kërkimit
Në tërësi, tokat e rralla përdoren gjerësisht në shkrirjen bërthamore dhe ndarjen bërthamore, dhe kanë shumë paraqitje të patentave në drejtime të tilla teknike si ngacmimi me rreze X, formimi i plazmës, reaktor i ujit të lehtë, transuranium, uranil dhe pluhur oksid.Sa i përket materialeve të reaktorit, tokat e rralla mund të përdoren si materiale strukturore të reaktorit dhe materiale izoluese qeramike të lidhura, materiale kontrolli dhe materiale mbrojtëse nga rrezatimi neutron.
Koha e postimit: Maj-26-2023