1, Ядролық материалдардың анықтамасы
Кең мағынада ядролық материал тек ядролық өнеркәсіпте және ядролық ғылыми зерттеулерде, соның ішінде ядролық отын мен ядролық инженерлік материалдарды, яғни ядролық емес отын материалдарын қоса алғанда пайдаланылатын материалдардың жалпы термині болып табылады.
Әдетте ядролық материалдарға негізінен реактордың әртүрлі бөліктерінде қолданылатын материалдар жатады, олар реактор материалдары деп те аталады.Реактор материалдарына нейтрондық бомбалау кезінде ядролық ыдырауға ұшырайтын ядролық отын, ядролық отын компоненттеріне арналған қаптама материалдары, салқындатқыштар, нейтронды баяулатқыштар (модераторлар), нейтрондарды қатты жұтатын бақылау таяқшаларының материалдары және реактордан тыс нейтрондардың ағуын болдырмайтын шағылыстыратын материалдар жатады.
2. Сирек кездесетін жер ресурстары мен ядролық ресурстар арасындағы байланысты
Монацит, фосфоцерит және фосфоцерит деп те аталады, аралық қышқылды магмалық тау жыныстары мен метаморфтық тау жыныстарында жалпы қосымша минерал болып табылады.Монацит сирек жер металдары кенінің негізгі минералдарының бірі болып табылады, сонымен қатар кейбір шөгінді жыныстарда кездеседі.Қоңыр қызыл, сары, кейде қоңыр-сары, майлы жылтыр, толық үзілген, Мох қаттылығы 5-5,5, меншікті салмағы 4,9-5,5.
Қытайдағы кейбір сирек кездесетін жер қойнауларының негізгі кен минералы монацит болып табылады, ол негізінен Тунчэн, Хубэй, Юэян, Хунань, Шанграо, Цзянси, Мэнхай, Юньнань және Гуансидегі Хэ округінде орналасқан.Алайда, сирек жер қойнауын өндірудің көбінесе экономикалық маңызы болмайды.Жалғыз тастар көбінесе рефлексивті торий элементтерін қамтиды және сонымен қатар коммерциялық плутонийдің негізгі көзі болып табылады.
3, Патенттік панорамалық талдау негізінде ядролық синтезде және ядролық ыдырауда сирек жерді қолдануды шолу
Сирек жерді іздеу элементтерінің түйінді сөздері толығымен кеңейтілгеннен кейін олар кеңейту кілттерімен және ядролық ыдырау мен ядролық синтездің жіктеу нөмірлерімен біріктіріліп, Incopt деректер базасында іздестіріледі.Іздеу күні 2020 жылдың 24 тамызы. 4837 патент қарапайым отбасы бірігуінен кейін алынды, ал 4673 патент жасанды шуды азайтудан кейін анықталды.
Ядролық ыдырау немесе ядролық синтез саласындағы сирек жер патентіне өтінімдер негізінен Жапонияда, Қытайда, АҚШ-та, Германияда және Ресейде және т.б. шоғырланған 56 елде/аймақта таратылған. Патенттердің едәуір саны РСТ түрінде қолданылады. , оның ішінде қытайлық патенттік технологияларға өтінімдер көбейіп келеді, әсіресе 2009 жылдан бастап қарқынды өсу кезеңіне өтіп жатыр және Жапония, Америка Құрама Штаттары және Ресей бұл салада көптеген жылдар бойы орналасуды жалғастырды (1-сурет).
1-сурет Елдерде/аймақтарда ядролық ядролық ыдырау мен ядролық синтезде сирек жерді қолдануға қатысты технология патенттерін қолдану үрдісі
Техникалық тақырыптарды талдаудан сирек жерді ядролық синтезде және ядролық ыдырауда қолдану отын элементтеріне, сцинтилляторларға, радиациялық детекторларға, актинидтерге, плазмаға, ядролық реакторларға, экрандаушы материалдарға, нейтрондарды сіңіруге және басқа да техникалық бағыттарға бағытталғанын көруге болады.
4, Ядролық материалдардағы сирек жер элементтерінің арнайы қолданбалары және негізгі патенттік зерттеулері
Олардың ішінде ядролық материалдардағы ядролық синтез және ядролық бөліну реакциялары қарқынды, материалдарға қойылатын талаптар қатаң.Қазіргі уақытта қуатты реакторлар негізінен ядролық бөліну реакторлары болып табылады, ал термоядролық реакторлар 50 жылдан кейін кең ауқымда танымал болуы мүмкін.қолданбасысирек жерреактордың құрылымдық материалдарындағы элементтер;Нақты ядролық химиялық кен орындарында сирек жер элементтері негізінен басқару шыбықтарында қолданылады;Одан басқа,скандийрадиохимия мен атом өнеркәсібінде де қолданылған.
（1） Нейтрон деңгейін және ядролық реактордың критикалық күйін реттеу үшін жанғыш у немесе бақылау таяқшасы ретінде
Қуатты реакторларда жаңа ядролардың бастапқы қалдық реактивтілігі әдетте салыстырмалы түрде жоғары.Әсіресе бірінші жанармай құю циклінің бастапқы кезеңдерінде, ядродағы барлық ядролық отын жаңа болған кезде, қалған реактивтілік ең жоғары болады.Осы кезде қалдық реактивтіліктің орнын толтыру үшін тек ұлғайтылған бақылау шыбықтарына сүйену көбірек басқару таяқшаларын енгізеді.Әрбір басқару штангасы (немесе шыбықтың шоғыры) күрделі қозғаушы механизмнің енгізілуіне сәйкес келеді.Бір жағынан, бұл шығындарды арттырады, ал екінші жағынан, қысымды ыдыстың басындағы тесіктерді ашу құрылымдық беріктіктің төмендеуіне әкелуі мүмкін.Бұл тек үнемсіз ғана емес, сонымен қатар қысымды ыдыстың басына белгілі бір мөлшерде кеуектілік пен құрылымдық беріктікке жол берілмейді.Дегенмен, бақылау таяқшаларын арттырмай, қалған реактивтіліктің орнын толтыру үшін химиялық компенсациялаушы токсиндердің (мысалы, бор қышқылы) концентрациясын арттыру қажет.Бұл жағдайда бор концентрациясының шекті мәннен асып кетуі оңай, ал модератордың температуралық коэффициенті оң болады.
Жоғарыда аталған мәселелерді болдырмау үшін, әдетте, бақылау үшін жанғыш токсиндердің, бақылау таяқтарының және химиялық компенсация бақылауының комбинациясы қолданылуы мүмкін.
（2） Реактордың құрылымдық материалдарының өнімділігін арттыру үшін қоспа ретінде
Реакторлар құрылымдық құрамдас бөліктер мен отын элементтерінің белгілі бір беріктік деңгейін, коррозияға төзімділігін және жоғары термиялық тұрақтылықты қажет етеді, сонымен бірге ыдырау өнімдерінің салқындатқышқа түсуіне жол бермейді.
1) .Сирек кездесетін болат
Ядролық реактордың экстремалды физикалық және химиялық жағдайлары бар және реактордың әрбір құрамдас бөлігі қолданылатын арнайы болатқа жоғары талаптар қояды.Сирек жер элементтері болатқа, негізінен тазартуды, метаморфизмді, микроқорытпауды және коррозияға төзімділікті жақсартуды қоса алғанда, ерекше модификациялық әсерлерге ие.Құрамында сирек жер бар болаттар да ядролық реакторларда кеңінен қолданылады.
① Тазарту әсері: Қолданыстағы зерттеулер сирек жерлердің жоғары температурада балқытылған болатты жақсы тазартатын әсерін көрсетті.Себебі, сирек кездесетін металдар балқытылған болаттағы оттегі мен күкірт сияқты зиянды элементтермен әрекеттесіп, жоғары температуралы қосылыстар түзе алады.Жоғары температуралы қосылыстар балқытылған болат конденсацияланар алдында қосындылар түрінде тұндырылуы және ағызылуы мүмкін, осылайша балқытылған болаттағы қоспалардың құрамын азайтады.
② Метаморфизм: екінші жағынан, балқытылған болаттағы сирек жердің оттегі және күкірт сияқты зиянды элементтермен әрекеттесуі нәтижесінде түзілетін оксидтер, сульфидтер немесе оксисульфидтер балқытылған болатта ішінара сақталуы мүмкін және балқу температурасы жоғары болаттың қосындыларына айналуы мүмкін. .Бұл қосындыларды балқытылған болатты қатайту кезінде гетерогенді нуклеация орталықтары ретінде пайдалануға болады, осылайша болаттың пішіні мен құрылымын жақсартады.
③ Микроқорытпа: егер сирек жерді қосу одан әрі ұлғайса, қалған сирек жер жоғарыда аталған тазарту және метаморфизм аяқталғаннан кейін болатта ерітіледі.Сирек жердің атомдық радиусы темір атомынан үлкен болғандықтан, сирек жердің беттік белсенділігі жоғары.Балқытылған болатты қатайту процесінде дән шекарасында сирек жер элементтері байытылады, бұл дән шекарасында қоспа элементтерінің сегрегациясын жақсырақ азайта алады, осылайша қатты ерітіндіні күшейтеді және микроқорытпа рөлін атқарады.Екінші жағынан, сирек жерлердің сутегі сақтау сипаттамаларына байланысты олар болаттағы сутегін сіңіре алады, осылайша болаттың сутегі морттану құбылысын тиімді жақсартады.
④ Коррозияға төзімділікті жақсарту: сирек жер элементтерін қосу болаттың коррозияға төзімділігін де жақсарта алады.Бұл сирек кездесетін жерлердің тот баспайтын болаттан жоғары өзін-өзі коррозияға ұшырату мүмкіндігіне байланысты.Сондықтан сирек жерді қосу тот баспайтын болаттың өздігінен коррозияға ұшырау әлеуетін арттыруы мүмкін, осылайша болаттың коррозиялық ортадағы тұрақтылығын жақсартады.
2).Негізгі патенттік зерттеу
Негізгі патент: Қытай ғылым академиясының металдар институтының нығайтылған оксидті дисперсиялық болаттың және оны дайындау әдісінің өнертабыс патенті
Патенттік аннотация: Термоядролық реакторлар үшін жарамды оксидті дисперсиямен күшейтілген төмен активтендіруші болат және оны дайындау әдісі ұсынылған, ол төмен активтендіруші болаттың жалпы массасындағы легирленген элементтердің пайызы: матрица Fe, 0,08% ≤ C ≤ болатындығымен сипатталады. 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% ≤ W ≤ 1,55%, 0,1% ≤ V ≤ 0,3%, 0,03% ≤ Ta ≤ 0,2%, M≤ 0,1≤0.5 2O3 ≤ 0,5% .
Өндіріс процесі: Fe-Cr-WV-Ta-Mn аналық қорытпаны балқыту, ұнтақты тозаңдату, аналық қорытпаны жоғары энергиялы шарикті фрезерлеу жәнеY2O3 нанобөлшегіаралас ұнтақ, ұнтақты конверттеу, қатайтатын қалыптау, ыстық илемдеу және термиялық өңдеу.
Сирек жерді қосу әдісі: наноөлшемді қосыңызY2O3бөлшектерді негізгі қорытпаға жоғары энергиялы шарикті фрезерлеуге арналған атомдалған ұнтақ, шарикті фрезерлеу ортасы Φ 6 және Φ 10 аралас қатты болат шарлар, шарикті фрезерлеу атмосферасы 99,99% аргон газы, шарикті материал массасының арақатынасы (8-) 10): 1, шарды фрезерлеу уақыты 40-70 сағат, айналу жылдамдығы 350-500 р/мин.
3）.Нейтрондық сәулеленуден қорғайтын материалдарды жасау үшін қолданылады
① Нейтрондық сәулеленуден қорғау принципі
Нейтрондар атом ядроларының құрамдас бөліктері болып табылады, статикалық массасы 1,675 × 10-27 кг, бұл электронды массадан 1838 есе көп.Оның радиусы шамамен 0,8 × 10-15 м, өлшемі протонға ұқсас, γ-ге ұқсас сәулелер бірдей зарядсыз.Нейтрондар затпен әрекеттескенде, олар негізінен ядроның ішіндегі ядролық күштермен әрекеттеседі, ал сыртқы қабаттағы электрондармен әрекеттеспейді.
Атом энергетикасы мен ядролық реактор технологиясының қарқынды дамуымен ядролық радиациялық қауіпсіздік пен ядролық радиациядан қорғауға көбірек көңіл бөлінуде.Ұзақ уақыт бойы радиациялық жабдыққа техникалық қызмет көрсету және авариялық құтқару жұмыстарымен айналысатын операторлардың радиациялық қорғанысын күшейту үшін қорғаныс киімдерінің жеңіл қорғаныш композиттерін жасаудың ғылыми маңызы және экономикалық маңызы зор.Нейтрондық сәулелену ядролық реактордың сәулеленуінің ең маңызды бөлігі болып табылады.Жалпы алғанда, адаммен тікелей байланыста болатын нейтрондардың көпшілігі ядролық реактордың ішіндегі құрылымдық материалдардың нейтрондық қорғаныс әсерінен кейін төмен энергиялы нейтрондарға дейін баяулады.Төмен энергиялы нейтрондар атомдық нөмірі төмен ядролармен серпімді соқтығысады және модерациясын жалғастырады.Қалыпты термиялық нейтрондар нейтрондарды сіңіру қималары үлкенірек элементтермен жұтылады және ақырында нейтронды экрандауға қол жеткізіледі.
② Негізгі патенттік зерттеу
Кеуекті және органикалық-бейорганикалық гибридті қасиеттерісирек жер элементігадолинийнегізіндегі металл органикалық қаңқалық материалдар олардың полиэтиленмен үйлесімділігін арттырады, синтезделген композициялық материалдардың гадолиний мөлшері мен гадолиний дисперсиясының жоғары болуына ықпал етеді.Гадолинийдің жоғары мөлшері мен дисперсиясы композиттік материалдардың нейтронды экрандау өнімділігіне тікелей әсер етеді.
Негізгі патент: Қытай ғылым академиясының Хефэй материалтану институты, гадолиний негізіндегі органикалық қаңқалы композиттік қорғаныс материалының өнертабыс патенті және оны дайындау әдісі
Патенттік аннотация: Гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқаның композиттік экрандау материалы араласу арқылы түзілетін композициялық материал болып табылады.гадолиний2:1:10 массалық қатынасында полиэтиленмен және оны еріткішпен булану немесе ыстық престеу арқылы қалыптастыратын металл органикалық скелет негізіндегі материал.Гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқаның композиттік қорғаныс материалдары жоғары термиялық тұрақтылыққа және термиялық нейтронды қорғау қабілетіне ие.
Өндіріс процесі: әртүрлі таңдаугадолиний металытұздар мен органикалық лигандтар әртүрлі типтегі гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқалық материалдарды дайындау және синтездеу, оларды центрифугалау арқылы метанолдың, этанолдың немесе судың шағын молекулаларымен жуу және реакцияға түспеген шикізаттың қалдықтарын толығымен жою үшін оларды вакуум жағдайында жоғары температурада белсендіру гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқалық материалдардың кеуектерінде;Қадамда дайындалған гадолиний негізіндегі металлорганикалық қаңқа материалы полиэтиленді лосьонмен жоғары жылдамдықпен немесе ультрадыбыстық әдіспен араластырылады немесе сатылап дайындалған гадолиний негізіндегі металлорганикалық қаңқа материалы толығымен араласқанша жоғары температурада ультра жоғары молекулалық полиэтиленмен балқытылады;Қалыпқа біркелкі араласқан гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқа материалын/полиэтилен қоспасын салыңыз және еріткіштің булануын немесе ыстық престеуді қамтамасыз ету үшін кептіру арқылы қалыптасқан гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқаның композиттік қорғаныс материалын алыңыз;Дайындалған гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқаның композиттік қорғаныс материалы таза полиэтилен материалдарымен салыстырғанда ыстыққа төзімділікті, механикалық қасиеттерді және термиялық нейтрондарды қорғау қабілетін айтарлықтай жақсартты.
Сирек жерді қосу режимі: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 немесе Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 құрамында гадолиний бар, координациялық полимерлеу арқылы алынатын кеуекті кристалды координациялық полимерGd (NO3) 3 • 6H2O немесе GdCl3 • 6H2Oжәне органикалық карбоксилат лиганд;Гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқа материалының өлшемі 50 нм-2 μ м； Гадолиний негізіндегі металл органикалық қаңқалық материалдардың әртүрлі морфологиялары бар, оның ішінде түйіршікті, таяқша немесе ине тәрізді пішіндер бар.
（4） ҚолданылуыСкандийрадиохимия және атом өнеркәсібі
Скандий металы жақсы термиялық тұрақтылыққа және күшті фторды сіңіру өнімділігіне ие, бұл оны атом энергетикасында таптырмас материал етеді.
Негізгі патент: Қытай аэроғарыштық даму Пекин аэронавигациялық материалдар институты, алюминий мырыш магний скандий қорытпасына өнертабысқа патент және оны дайындау әдісі
Патенттік аннотация: алюминий мырышмагний скандий қорытпасыжәне оны дайындау әдісі.Алюминий мырыш магний скандий қорытпасының химиялық құрамы мен салмақ пайызы: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, қоспалар Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, басқа қоспалар жалғыз ≤ 0,05%, басқа қоспалар жалпы ≤ 0,15%, ал қалған мөлшері Al.Бұл алюминий мырыш магний скандий қорытпасының материалының микроқұрылымы біркелкі және оның өнімділігі тұрақты, соңғы созылу беріктігі 400МПа-дан астам, аққыштық күші 350МПа-дан астам және дәнекерленген қосылыстар үшін 370МПа-дан астам созылу күші.Материалдық өнімдер аэроғарыш, атом өнеркәсібі, көлік, спорт тауарлары, қару-жарақ және басқа салаларда құрылымдық элементтер ретінде пайдаланылуы мүмкін.
Өндіріс процесі: 1-қадам, жоғарыда аталған қорытпа құрамына сәйкес ингредиент;2-қадам: балқыту пешінде 700 ℃ ~ 780 ℃ температурада ерітіңіз;3-қадам: Толығымен еріген металл сұйықтығын тазартыңыз және тазарту кезінде металл температурасын 700 ℃ ~ 750 ℃ диапазонында ұстаңыз;4-қадам: Тазалаудан кейін оның орнында тұруына толық рұқсат беру керек;5-қадам: Толық тұрғаннан кейін құюды бастаңыз, пештің температурасын 690 ℃ ~ 730 ℃ диапазонында ұстаңыз, ал құю жылдамдығы 15-200 мм/минут;6-қадам: гомогенизациялау температурасы 400 ℃ ~ 470 ℃ болатын қыздыру пешіндегі құйма құймасына гомогенизациялауды жасыту өңдеуін орындаңыз;7-қадам: Қабырғасының қалыңдығы 2,0 мм-ден асатын профильдерді шығару үшін біртекті құйманы аршып, ыстық экструзияны орындаңыз.Экструзия процесі кезінде дайындаманы 350 ℃ - 410 ℃ температурада ұстау керек;8-қадам: ерітінді температурасы 460-480 ℃ болатын ерітіндіні сөндіруге арналған профильді сығыңыз;9-қадам: Қатты ерітінді сөндіргеннен кейін 72 сағаттан кейін қартаюды қолмен күшейтіңіз.Қолмен күшпен қартаю жүйесі: 90~110 ℃/24 сағат+170~180 ℃/5 сағат немесе 90~110 ℃/24 сағат+145~155 ℃/10 сағат.
5, Зерттеудің қысқаша мазмұны
Тұтастай алғанда, сирек кездесетін жерлер ядролық синтезде және ядролық ыдырауда кеңінен қолданылады және рентгендік қозу, плазманың түзілуі, жеңіл су реакторы, трансуран, уран және оксидті ұнтақ сияқты техникалық бағыттар бойынша көптеген патенттік схемаларға ие.Реактор материалдарына келетін болсақ, сирек жерді реактордың құрылымдық материалдары және олармен байланысты керамикалық оқшаулағыш материалдар, бақылау материалдары және нейтрондық сәулеленуден қорғау материалдары ретінде пайдалануға болады.
Хабарлама уақыты: 26 мамыр 2023 ж