1. Material nuklearren definizioa
Zentzu zabal batean, material nuklearra industria nuklearrean eta ikerketa zientifiko nuklearrean soilik erabiltzen diren materialen termino orokorra da, erregai nuklearra eta ingeniaritza nuklearreko materialak barne, hau da, erregai ez-nuklearrak diren materialak.
Material nuklear ohikoenak erreaktorearen hainbat ataletan erabiltzen diren materialak dira, erreaktore-materialak bezala ere ezagutzen direnak. Erreaktore-materialen artean daude neutroi-bonbardaketaren pean fisio nuklearra jasaten duen erregai nuklearra, erregai nuklearraren osagaien estaldura-materialak, hozgarriak, neutroi-moderatzaileak (moderatzaileak), neutroiak indarrez xurgatzen dituzten kontrol-barraren materialak eta erreaktorearen kanpoaldean neutroien ihesa eragozten duten material islatzaileak.
2. Lur arraroen baliabideen eta baliabide nuklearren arteko lotura
Monazita, fosfozerita eta fosfozerita ere deitua, arroka igneo azido ertainean eta arroka metamorfikoan ohikoa den mineral osagarria da. Monazita lur arraroen metalen mineral nagusietako bat da, eta arroka sedimentario batzuetan ere badago. Gorri marroia, horia, batzuetan hori marroia, distira koipetsua, zatiketa osoa, 5-5,5eko Mohs gogortasuna eta 4,9-5,5eko grabitate espezifikoa.
Txinako lur arraroen meategi batzuetako mea nagusia monazita da, batez ere Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan eta Guangxiko He konderrian kokatua. Hala ere, lur arraroen baliabideen erauzketak ez du askotan garrantzi ekonomikorik. Harri bakartiek torio elementu erreflexiboak izaten dituzte eta plutonio komertziala lortzeko iturri nagusia ere badira.
3. Lur arraroen aplikazioaren ikuspegi orokorra fusio nuklearrean eta fisio nuklearrean, patenteen analisi panoramikoan oinarrituta.
Lur arraroen bilaketa-elementuen gako-hitzak guztiz zabaldu ondoren, fisio nuklearraren eta fusio nuklearraren hedapen-gakoekin eta sailkapen-zenbakiekin konbinatzen dira, eta Incopt datu-basean bilatzen dira. Bilaketaren data 2020ko abuztuaren 24a da. 4837 patente lortu ziren familia-fusio sinplearen ondoren, eta 4673 patente zehaztu ziren zarata artifizialki murriztu ondoren.
Fisio nuklearraren edo fusio nuklearraren arloko lur arraroen patente eskaerak 56 herrialde/eskualdetan banatuta daude, batez ere Japonian, Txinan, Estatu Batuetan, Alemanian eta Errusian kontzentratuta, etab. Patente kopuru handia PCT moduan eskatzen da, eta horien artean Txinako patente teknologiaren eskaerak gora egin dute, batez ere 2009az geroztik, hazkunde azkarreko fase batean sartuz, eta Japoniak, Estatu Batuek eta Errusiak urte askotan jarraitu dute arlo honetan lanean (1. irudia).
1. irudia Fisio nuklearrean eta fusio nuklearrean lur arraroen aplikazioarekin lotutako teknologia-patenteen aplikazio-joera herrialde/eskualdeetan
Gai teknikoen analisitik ikus daiteke lur arraroen fusio nuklearrean eta fisio nuklearrean aplikatzeak erregai elementuetan, zintilagailuetan, erradiazio detektagailuetan, aktinidoetan, plasman, erreaktore nuklearretan, babes-materialetan, neutroien xurgapenean eta beste norabide tekniko batzuetan jartzen duela arreta.
4. Lur arraroen elementuen aplikazio espezifikoak eta patente-ikerketa gakoak material nuklearretan
Horien artean, material nuklearretan fusio nuklearra eta fisio nuklearra erreakzioak oso biziak dira, eta materialen eskakizunak zorrotzak dira. Gaur egun, potentzia-erreaktoreak batez ere fisio nuklear erreaktoreak dira, eta fusio-erreaktoreak eskala handian ezagun egin daitezke 50 urte igaro ondoren. Aplikazioalur arraroaelementuak erreaktoreen egitura-materialetan; Kimika nuklearreko arlo espezifikoetan, lur arraroen elementuak batez ere kontrol-hagaxkak erabiltzen dira; Gainera,eskandioaerradiokimikan eta industria nuklearrean ere erabili izan da.
(1) Erreaktore nuklearraren neutroi maila eta egoera kritikoa doitzeko pozoi edo kontrol-barra erregai gisa
Erreaktore nuklearretan, nukleo berrien hasierako erreaktibotasun hondarra nahiko altua da normalean. Batez ere lehen erregai-hornidura zikloaren hasierako faseetan, nukleoko erregai nuklear guztia berria denean, geratzen den erreaktibotasuna da handiena. Puntu honetan, kontrol-barrak handitzean soilik oinarritzeak erreaktibotasun hondarra konpentsatzeko kontrol-barra gehiago sartuko lituzke. Kontrol-barra (edo haga-sorta) bakoitza bultzada-mekanismo konplexu baten sarrerarekin bat dator. Alde batetik, horrek kostuak handitzen ditu, eta bestetik, presio-ontziaren buruan zuloak irekitzeak egitura-erresistentzia gutxitzea ekar dezake. Ez da ekonomikoa bakarrik, baizik eta presio-ontziaren buruan porositate eta egitura-erresistentzia kopuru jakin bat izatea ere debekatuta dago. Hala ere, kontrol-barrak handitu gabe, beharrezkoa da konpentsatzen duten toxina kimikoen kontzentrazioa (azido borikoa, adibidez) handitzea geratzen den erreaktibotasuna konpentsatzeko. Kasu honetan, erraza da boro-kontzentrazioak atalasea gainditzea, eta moderatzailearen tenperatura-koefizientea positiboa bihurtuko da.
Aipatutako arazoak saihesteko, toxina sukoien, kontrol-barraren eta konpentsazio kimikoaren kontrolaren konbinazioa erabil daiteke, oro har, kontrolerako.
(2) Erreaktoreen egitura-materialen errendimendua hobetzeko dopante gisa
Erreaktoreek egitura-osagaiek eta erregai-elementuek erresistentzia-maila jakin bat, korrosioarekiko erresistentzia eta egonkortasun termiko handia izan behar dute, eta, aldi berean, fisio-produktuak hozgarrian sartzea eragotzi.
1) Lur arraroen altzairua
Erreaktore nuklearrak baldintza fisiko eta kimiko muturrekoak ditu, eta erreaktorearen osagai bakoitzak erabilitako altzairu bereziari dagokionez ere eskakizun handiak ditu. Lur arraroen elementuek aldaketa-efektu bereziak dituzte altzairuan, batez ere purifikazioa, metamorfismoa, mikroaleazioa eta korrosioarekiko erresistentziaren hobekuntza barne. Lur arraroak dituzten altzairuak ere asko erabiltzen dira erreaktore nuklearretan.
① Purifikazio-efektua: Dauden ikerketek erakutsi dute lur arraroek altzairu urtuan purifikazio-efektu ona dutela tenperatura altuetan. Hau horrela da lur arraroek altzairu urtuan dauden oxigeno eta sufre bezalako elementu kaltegarriekin erreakziona dezaketelako tenperatura altuko konposatuak sortzeko. Tenperatura altuko konposatuak prezipitatu eta inklusio moduan askatu daitezke altzairu urtua kondentsatu aurretik, eta horrela, altzairu urtuaren ezpurutasun-edukia murriztu.
② Metamorfismoa: bestalde, altzairu urtuan lur arraroek oxigeno eta sufre bezalako elementu kaltegarriekin duten erreakzioaren ondorioz sortutako oxidoak, sulfuroak edo oxisulfuroak altzairu urtuan partzialki atxiki daitezke eta urtze-puntu altua duten altzairu inklusio bihur daitezke. Inklusio hauek nukleazio-gune heterogeneo gisa erabil daitezke altzairu urtuaren solidotzean, eta horrela, altzairuaren forma eta egitura hobetzen dira.
③ Mikroaleazioa: lur arraroen gehikuntza gehiago handitzen bada, gainerako lur arraroa altzairuan disolbatuko da aipatutako purifikazioa eta metamorfismoa amaitu ondoren. Lur arraroen erradio atomikoa burdin atomoarena baino handiagoa denez, lur arraroek gainazaleko jarduera handiagoa dute. Altzairu urtuaren solidotze prozesuan, lur arraroen elementuak aberastu egiten dira ale-mugan, eta horrek hobeto murriztu dezake ale-mugan ezpurutasun-elementuen segregazioa, horrela disoluzio solidoa indartuz eta mikroaleazioaren eginkizuna jokatuz. Bestalde, lur arraroen hidrogenoa biltegiratzeko ezaugarriei esker, hidrogenoa xurgatu dezakete altzairuan, eta horrela, altzairuaren hidrogenoa hausteko fenomenoa eraginkortasunez hobetuz.
④ Korrosioarekiko erresistentzia hobetzea: Lur arraroen elementuen gehiketak altzairuaren korrosioarekiko erresistentzia ere hobetu dezake. Hau da, lur arraroek altzairu herdoilgaitzak baino auto-korrosio potentzial handiagoa dutelako. Beraz, lur arraroen gehiketak altzairu herdoilgaitzaren auto-korrosio potentziala handitu dezake, eta horrela, altzairuaren egonkortasuna hobetu dezake ingurune korrosiboetan.
2). Patenteen azterketa nagusia
Gako patentea: Txinako Zientzien Akademiako Metalen Institutuak egindako oxido-dispertsio bidez indartutako aktibazio baxuko altzairuaren eta haren prestaketa-metodoaren asmakizun-patentea
Patentearen laburpena: Fusio-erreaktoreetarako egokia den oxido-dispertsio bidez indartutako aktibazio baxuko altzairu bat eta haren prestaketa-metodoa eskaintzen dira, aktibazio baxuko altzairuaren masa osoan aleazio-elementuen ehunekoa honako hau delako ezaugarrituta: matrizea Fe da, % 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 eta % 0,05 ≤ Y2O3 ≤ % 0,5.
Fabrikazio prozesua: Fe-Cr-WV-Ta-Mn ama aleazioaren urtzea, hauts atomizazioa, ama aleazioaren energia handiko bola-fresaketa etaY2O3 nanopartikulahauts nahasia, hauts bilgarriaren erauzketa, solidotze-moldeaketa, bero-ijezketa eta bero-tratamendua.
Lur arraroen gehitze metodoa: Nanoeskala gehituY2O3partikulak aleazio nagusiko hauts atomizatuari energia handiko bola-fresatzeko, bola-fresatzeko euskarria Φ 6 eta Φ 10 altzairu gogorreko bola mistoak izanik, % 99,99ko argon gaseko bola-fresatzeko atmosferarekin, (8-10): 1eko bola-materialaren masa-erlazioarekin, 40-70 orduko bola-fresatzeko denborarekin eta 350-500 r/min-ko biraketa-abiadurarekin.
3) Neutroi erradiazio babeserako materialak egiteko erabiltzen da
① Neutroi erradiazioen aurkako babesaren printzipioa
Neutroiak nukleo atomikoen osagaiak dira, 1,675 × 10⁻²⁷ kg-ko masa estatikoa dutenak, hau da, masa elektronikoaren 1838 aldiz handiagoa. Beren erradioa gutxi gorabehera 0,8 × 10⁻¹⁵ m da, protoi baten antzekoa, γ izpien antzekoa. Neutroiak berdin kargarik gabe daude. Neutroiek materiarekin elkarreragiten dutenean, batez ere nukleoaren barruko indar nuklearrekin elkarreragiten dute, eta ez dute kanpoko geruzan dauden elektroiekin elkarreragiten.
Energia nuklearraren eta erreaktore nuklearren teknologiaren garapen azkarrarekin, gero eta arreta handiagoa jarri zaio erradiazio nuklearraren segurtasunari eta erradiazio nuklearraren babesari. Erradiazio-ekipoen mantentze-lanetan eta istripuen erreskatean denbora luzez aritu diren operadoreen erradiazio-babesa indartzeko, garrantzi zientifiko handikoa eta balio ekonomiko handikoa da babes-arroparako babes-konposite arinak garatzea. Neutroi-erradiazioa da erreaktore nuklearraren erradiazioaren zatirik garrantzitsuena. Oro har, gizakiekin kontaktu zuzenean dauden neutroi gehienak energia baxuko neutroi bihurtu dira erreaktore nuklearraren barruko egitura-materialen neutroi-babes efektuaren ondoren. Energia baxuko neutroiak zenbaki atomiko txikiagoa duten nukleoekin talka egingo dute elastikoki eta moderatzen jarraituko dute. Moderatutako neutroi termikoak neutroi-xurgapen-sekzio handiagoak dituzten elementuek xurgatuko dituzte, eta azkenean neutroi-babesa lortuko da.
② Patente Gakoen Azterketa
Propietate hibrido porotsu eta organiko-ez-organikoaklur arraroen elementuagadolinioaEskeleto metaliko organikoan oinarritutako materialek polietilenoarekin duten bateragarritasuna handitzen dute, sintetizatutako material konposatuek gadolinio eduki eta gadolinio dispertsio handiagoa izatea sustatuz. Gadolinio eduki eta dispertsio altuak zuzenean eragingo du material konposatuen neutroien babes-errendimenduan.
Gako patentea: Hefei Material Zientzien Institutua, Txinako Zientzien Akademia, gadolinioan oinarritutako egitura organiko konposatuzko babes-material baten eta haren prestaketa-metodoaren asmakizun-patentea
Patentearen laburpena: Gadolinioan oinarritutako metal-organiko eskeleto konposite babesgarri materiala nahastuz eratutako material konposatua da.gadolinioa2:1:10eko pisu-erlazioan polietilenoarekin egindako metal-organo-eskeletoko materiala, eta disolbatzaile-lurrunketaren edo bero-presioaren bidez eratzen da. Gadolinioan oinarritutako metal-organo-eskeletoko konpositezko babes-materialek egonkortasun termiko handia eta neutroi termikoen aurkako babes-gaitasun handia dute.
Fabrikazio prozesua: desberdinak hautatzeagadolinio metalaGatzak eta ligando organikoak gadolinioan oinarritutako metal-organiko eskeleto-material mota desberdinak prestatzeko eta sintetizatzeko, metanol, etanol edo ur molekula txikiekin garbituz zentrifugazio bidez, eta tenperatura altuan aktibatuz hutsean, gadolinioan oinarritutako metal-organiko eskeleto-materialen poroetan erreakzionatu gabeko hondar lehengaiak guztiz kentzeko; urratsean prestatutako gadolinioan oinarritutako organometaliko eskeleto-materiala polietilenozko lozioarekin nahasten da abiadura handian edo ultrasoinuen bidez, edo urratsean prestatutako gadolinioan oinarritutako organometaliko eskeleto-materiala pisu molekular ultra-handiko polietilenoarekin urtzen da tenperatura altuan guztiz nahastu arte; Jarri uniformeki nahastutako gadolinioan oinarritutako metal-organiko eskeleto-material/polietileno nahasketa moldean, eta lortu eratutako gadolinioan oinarritutako metal-organiko eskeleto-material konposatu babesgarri materiala lehortuz disolbatzailearen lurrunketa sustatzeko edo prentsatze beroa eginez; Prestatutako gadolinioan oinarritutako metal-organiko eskeleto-material konposatu babesgarriak beroarekiko erresistentzia, propietate mekanikoak eta neutroi termikoen babesgarri gaitasun hobea nabarmen hobetu ditu polietilenozko material puruekin alderatuta.
Lur arraroen gehitze modua: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 edo Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 gadolinioa duen koordinazio-polimeru kristalino porotsua, koordinazio-polimerizazioaren bidez lortzen denaGd (NO3) 3 • 6H2O edo GdCl3 • 6H2Oeta karboxilato organiko ligandoa; Gadolinioan oinarritutako metal-eskeleto organikoko materialaren tamaina 50nm-2 μm da; Gadolinioan oinarritutako metal-eskeleto organikoko materialek morfologia desberdinak dituzte, besteak beste, pikortsuak, hagaxka itxurakoak edo orratz itxurakoak.
(4) AplikazioaEskandioaErradiokimikan eta industria nuklearrean
Eskandio metalak egonkortasun termiko ona eta fluorra xurgatzeko errendimendu handia ditu, eta horrek ezinbesteko material bihurtzen du energia atomikoaren industrian.
Gako patentea: Txinako Aeroespazial Garapeneko Pekingo Aeronautikako Materialen Institutua, aluminiozko zink magnesio eskandio aleazio baten eta haren prestaketa metodoaren asmakizun patentea
Patentearen laburpena: Aluminiozko zink batmagnesio eskandio aleazioaeta bere prestaketa metodoa. Aluminio zink magnesio eskandio aleazioaren konposizio kimikoa eta pisu ehunekoa hauek dira: Mg % 1,0 -% 2,4, Zn % 3,5 -% 5,5, Sc % 0,04 -% 0,50, Zr % 0,04 -% 0,35, ezpurutasunak Cu ≤ % 0,2, Si ≤ % 0,35, Fe ≤ % 0,4, beste ezpurutasun bakarra ≤ % 0,05, beste ezpurutasun totala ≤ % 0,15, eta gainerako kantitatea Al da. Aluminio zink magnesio eskandio aleazio material honen mikroegitura uniformea da eta bere errendimendua egonkorra da, 400 MPa baino gehiagoko trakzio-erresistentzia, 350 MPa baino gehiagoko etekin-erresistentzia eta 370 MPa baino gehiagoko trakzio-erresistentzia soldatuzko junturetarako. Material produktuak egitura-elementu gisa erabil daitezke aeroespazialean, industria nuklearrean, garraioan, kirol-ondasunen, armetan eta beste arlo batzuetan.
Fabrikazio prozesua: 1. urratsa, osagaia goiko aleazioaren konposizioaren arabera; 2. urratsa: Urtu urtze-labean 700 ℃~780 ℃-ko tenperaturan; 3. urratsa: Findu guztiz urtutako metal likidoa, eta mantendu metalaren tenperatura 700 ℃~750 ℃-ko tartean fintzean; 4. urratsa: Findu ondoren, guztiz geldirik utzi behar da; 5. urratsa: Guztiz geldirik utzi ondoren, hasi galdaketa, mantendu labearen tenperatura 690 ℃~730 ℃-ko tartean, eta galdaketa-abiadura 15-200 mm/minutu izan behar da; 6. urratsa: Egin homogeneizazio-erreketa tratamendua aleazio-lingoteari berotze-labean, 400 ℃~470 ℃-ko homogeneizazio-tenperaturan; 7. urratsa: Zuritu homogeneizatutako lingotea eta egin estrusio beroa 2,0 mm-tik gorako lodiera duten profilak sortzeko. Estrusio-prozesuan, lingotea 350 ℃ eta 410 ℃ arteko tenperaturan mantendu behar da; 8. urratsa: Estutu profila disoluzio-hozte tratamendurako, 460-480 ℃-ko disoluzio-tenperaturan; 9. urratsa: 72 orduz disoluzio solidoa hoztu ondoren, eskuz indarrez zahartzea. Eskuzko indarrez zahartzeko sistema hau da: 90~110 ℃/24 ordu+170~180 ℃/5 ordu, edo 90~110 ℃/24 ordu+145~155 ℃/10 ordu.
5. Ikerketaren laburpena
Oro har, lur arraroak fusio nuklearrean eta fisio nuklearrean asko erabiltzen dira, eta patente asko dituzte X izpien kitzikapena, plasma eraketa, ur arineko erreaktorea, transuranioa, uraniloa eta oxido hautsa bezalako arlo teknikoetan. Erreaktoreen materialei dagokienez, lur arraroak erreaktoreen egitura-material gisa eta erlazionatutako zeramikazko isolamendu-material gisa, kontrol-material gisa eta neutroi-erradiazioen aurkako babes-material gisa erabil daitezke.
Argitaratze data: 2023ko maiatzaren 26a