1、核物質の定義
広義では、核物質とは、核燃料や原子力工学材料、つまり非核燃料物質を含む、原子力産業や原子力科学研究にのみ使用される物質の総称です。
一般的に核物質と呼ばれるものは、主に原子炉の様々な部位に使用される材料、すなわち原子炉材料を指します。原子炉材料には、中性子の照射を受けて核分裂する核燃料、核燃料部品の被覆材、冷却材、中性子減速材（モデレーター）、中性子を強く吸収する制御棒材料、そして原子炉外への中性子の漏洩を防ぐ反射材などが含まれます。
2、希土類資源と核資源の共存関係
モナザイトは、フォスフォセライトとも呼ばれ、中酸性火成岩および変成岩によく含まれる副鉱物です。モナザイトは希土類金属鉱石の主要鉱物の一つであり、一部の堆積岩にも存在します。褐色がかった赤、黄色、時には褐色がかった黄色で、油のような光沢があり、完全にへき開しています。モース硬度は5～5.5、比重は4.9～5.5です。
中国の砂鉱型希土類鉱床の主な鉱石鉱物はモナザイトであり、主に湖北省銅城市、湖南省岳陽市、江西省上饒市、雲南省孟海市、広西チワン族自治区河県に産出されています。しかし、砂鉱型希土類資源の採掘は経済的意義を伴わない場合が多いです。孤立鉱石には反射性トリウム元素が含まれることが多く、商業用プルトニウムの主な供給源でもあります。
3、特許パノラマ分析に基づく核融合と核分裂における希土類元素の応用の概要
希土類元素検索キーワードを完全に展開した後、核分裂・核融合の展開キーと分類番号を組み合わせ、Incoptデータベースで検索しました。検索日は2020年8月24日です。単純なファミリー統合により4837件の特許を取得し、人工ノイズ低減により4673件の特許を確定しました。
核分裂や核融合分野における希土類の特許出願は56カ国・地域に分布しており、主に日本、中国、米国、ドイツ、ロシアなどに集中している。相当数の特許がPCTの形で出願されており、その中でも中国の特許技術出願は増加傾向にあり、特に2009年以降は急成長期に入っており、日本、米国、ロシアは長年にわたりこの分野での出願を続けている（図1）。
図1 各国・地域における希土類元素の核分裂・核融合への応用に関する技術特許の出願動向
技術テーマの分析から、核融合と核分裂における希土類元素の応用は、燃料元素、シンチレーター、放射線検出器、アクチニド、プラズマ、原子炉、遮蔽材料、中性子吸収などの技術方向に重点を置いていることがわかります。
4、原子力材料における希土類元素の具体的な応用と重要な特許研究
その中で、核物質における核融合と核分裂反応は激しく、材料に対する要求は厳しい。現在、発電炉は主に核分裂炉であり、核融合炉は50年後には大規模に普及する可能性がある。希土類原子炉構造材料の元素。特定の核化学分野では、希土類元素は主に制御棒に使用されている。さらに、スカンジウム放射化学や原子力産業でも使用されています。
（1） 原子炉の中性子レベルや臨界状態を調整するための可燃性毒物または制御棒として
発電炉では、新炉心の初期残留反応度は一般的に比較的高い。特に、炉心内のすべての核燃料が新品である最初の燃料交換サイクルの初期段階では、残留反応度が最も高くなる。この時点で、残留反応度を補償するために制御棒の増加のみに頼ろうとすると、制御棒の数が増加することになる。制御棒（または制御棒束）1本ごとに複雑な駆動機構が導入される。これはコストの増加につながる一方で、圧力容器蓋に穴を開けることは構造強度の低下につながる可能性がある。これは経済的ではないだけでなく、圧力容器蓋に一定の多孔度と構造強度を持たせることも許されない。しかし、制御棒を増加せずに残留反応度を補償するには、化学補償毒素（ホウ酸など）の濃度を高める必要がある。この場合、ホウ素濃度が閾値を超えやすく、減速材の温度係数が正になる。
前述の問題を回避するために、一般的には可燃性毒素、制御棒、化学補償制御の組み合わせが制御に使用されます。
（2）原子炉構造材料の性能を向上させるドーパントとして
原子炉では、構造部品と燃料要素に一定レベルの強度、耐腐食性、高い熱安定性が求められ、また、核分裂生成物が冷却材に入り込むのを防ぐことも求められます。
1) 希土類鋼
原子炉は極めて過酷な物理的・化学的条件下にあり、原子炉の各構成部品にも使用される特殊鋼に対する高い要求が課せられています。希土類元素は鋼材に特殊な改質効果をもたらし、主に精製、変成作用、マイクロアロイ化、耐食性の向上などをもたらします。希土類元素含有鋼は原子炉にも広く使用されています。
① 浄化効果：既存の研究によると、希土類元素は高温溶鋼に対して優れた浄化効果を示すことが示されています。これは、希土類元素が溶鋼中の酸素や硫黄などの有害元素と反応して高温化合物を生成するためです。この高温化合物は、溶鋼が凝結する前に析出・介在物の形で排出されるため、溶鋼中の不純物含有量を低減します。
② 変成作用：一方、溶鋼中の希土類元素と酸素や硫黄などの有害元素との反応によって生成される酸化物、硫化物、または酸硫化物は、部分的に溶鋼中に残留し、高融点鋼の介在物となることがあります。これらの介在物は、溶鋼の凝固時に不均質核生成中心として利用され、鋼の形状と組織を改善することができます。
③ マイクロアロイング：希土類元素の添加量をさらに増加させると、上記の精製と変成が完了した後、残りの希土類元素は鋼中に溶解します。希土類元素の原子半径は鉄原子よりも大きいため、希土類元素はより高い表面活性を有します。溶鋼の凝固過程において、希土類元素は粒界に濃縮され、粒界における不純物元素の偏析をより効果的に低減し、固溶体を強化し、マイクロアロイングの役割を果たします。一方、希土類元素は水素吸蔵特性を有するため、鋼中の水素を吸収し、鋼の水素脆化現象を効果的に改善します。
④ 耐食性の向上：希土類元素の添加は鋼の耐食性を向上させる効果もあります。これは、希土類元素の自己腐食電位がステンレス鋼よりも高いためです。したがって、希土類元素の添加はステンレス鋼の自己腐食電位を高め、腐食性媒体中における鋼の安定性を向上させることができます。
2). 主要特許調査
主要特許：中国科学院金属研究所による酸化物分散強化型低放射化鋼およびその製造方法の発明特許
特許概要：本発明は、核融合炉に適した酸化物分散強化型低放射化鋼およびその製造方法を提供する。低放射化鋼の全質量における合金元素の割合は、マトリックスが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%、および0.05%≤Y2O3≤0.5%であることを特徴とする。
製造プロセス：Fe-Cr-WV-Ta-Mn母合金の製錬、粉末噴霧、母合金の高エネルギーボールミル粉砕およびY2O3ナノ粒子混合粉末、粉末包接抽出、凝固成形、熱間圧延、熱処理。
希土類元素添加法：ナノスケールのイットリウム高エネルギーボールミリングのために、親合金アトマイズ粉末に粒子を添加し、ボールミリング媒体としてΦ6およびΦ10の混合硬鋼球を使用し、ボールミリング雰囲気を99.99％アルゴンガス、ボール材料の質量比を（8〜10）：1、ボールミリング時間を40〜70時間、回転速度を350〜500r/minとする。
3）中性子放射線防護材料の製造に使用される
① 中性子放射線防護の原則
中性子は原子核の構成要素であり、静的質量は1.675 × 10-27kgで、電子質量の1838倍です。その半径は約0.8 × 10-15mで、陽子とほぼ同程度の大きさです。γ線も同様に電荷を持ちません。中性子が物質と相互作用する際、主に原子核内部の核力と相互作用し、外殻電子とは相互作用しません。
原子力エネルギーと原子炉技術の急速な発展に伴い、核放射線安全と核放射線防護への注目が高まっています。長年、放射線機器のメンテナンスや事故救助に従事してきた作業員の放射線防護を強化するために、防護服用の軽量遮蔽複合材を開発することは、大きな科学的意義と経済的価値があります。中性子放射線は原子炉放射線の中で最も重要な部分です。一般的に、人間に直接接触する中性子のほとんどは、原子炉内の構造材料の中性子遮蔽効果により、低エネルギー中性子に減速されています。低エネルギー中性子は、原子番号の低い原子核に弾性衝突して減速され続けます。減速された熱中性子は、中性子吸収断面積の大きい元素に吸収され、最終的に中性子遮蔽が達成されます。
② 主要特許調査
多孔質で有機無機ハイブリッドな性質を持つ希土類元素ガドリニウムベースの金属有機骨格材料はポリエチレンとの相溶性を高め、合成された複合材料のガドリニウム含有量と分散度を高めます。高いガドリニウム含有量と分散度は、複合材料の中性子遮蔽性能に直接影響を及ぼします。
主要特許：中国科学院合肥材料科学研究所、ガドリニウムをベースとした有機フレームワーク複合遮蔽材料およびその製造方法の発明特許
特許概要: ガドリニウムベースの金属有機骨格複合遮蔽材は、ガドリニウムガドリニウムをベースとした金属有機骨格材料をポリエチレンと重量比2:1:10で混合し、溶媒蒸発法またはホットプレス法で成形する。ガドリニウムをベースとした金属有機骨格複合遮蔽材料は、高い熱安定性と熱中性子遮蔽能力を有する。
製造工程：異なるガドリニウム金属塩および有機配位子を用いて、異なるタイプのガドリニウムベースの金属有機骨格材料を調製および合成し、メタノール、エタノール、または水の小分子で遠心分離により洗浄し、真空条件下で高温で活性化して、ガドリニウムベースの金属有機骨格材料の細孔内の残留未反応原料を完全に除去する。ステップで調製したガドリニウムベースの有機金属骨格材料をポリエチレンローションと高速で、または超音波で撹拌するか、またはステップで調製したガドリニウムベースの有機金属骨格材料を超高分子量ポリエチレンと高温で溶融ブレンドして完全に混合する。均一に混合されたガドリニウムベースの金属有機骨格材料／ポリエチレン混合物を金型に入れ、乾燥して溶媒の蒸発を促進するか、またはホットプレスすることにより、形成されたガドリニウムベースの金属有機骨格複合遮蔽材料を得る。調製されたガドリニウムベースの金属有機骨格複合遮蔽材料は、純粋なポリエチレン材料と比較して、耐熱性、機械的特性が大幅に向上し、熱中性子遮蔽能力が優れています。
希土類元素添加モード：Gd2（BHC）（H2O）6、Gd（BTC）（H2O）4またはGd（BDC）1.5（H2O）2の配位重合により得られるガドリニウムを含む多孔性結晶性配位高分子。Gd (NO3) 3 • 6H2O または GdCl3 • 6H2Oおよび有機カルボキシレート配位子。ガドリニウムベースの金属有機骨格材料のサイズは50nm〜2μmです。ガドリニウムベースの金属有機骨格材料は、粒状、棒状、針状など、さまざまな形態を持っています。
（4）の応用スカンジウム放射化学および原子力産業
スカンジウム金属は熱安定性に優れ、フッ素吸収性能が強いため、原子力産業には欠かせない材料となっています。
主要特許：中国航天開発北京航空材料研究所、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、スカンジウム合金およびその製造方法の発明特許
特許概要: アルミニウム亜鉛マグネシウムスカンジウム合金及びその製造方法。アルミニウム亜鉛マグネシウムスカンジウム合金の化学成分と重量パーセントは、Mg 1.0％-2.4％、Zn 3.5％-5.5％、Sc 0.04％-0.50％、Zr 0.04％-0.35％、不純物Cu ≤ 0.2％、Si ≤ 0.35％、Fe ≤ 0.4％、その他の不純物単独≤ 0.05％、その他の不純物合計≤ 0.15％、残量はAlです。このアルミニウム亜鉛マグネシウムスカンジウム合金材料の微細組織は均一で、性能は安定しており、極限引張強度は400MPa以上、降伏強度は350MPa以上、溶接継手の引張強度は370MPa以上です。材料製品は、航空宇宙、原子力産業、輸送、スポーツ用品、兵器などの分野の構造要素として使用できます。
製造プロセス：ステップ 1、上記の合金組成に従って原料を配合します。ステップ 2: 溶解炉で 700 ℃ ~ 780 ℃ の温度で溶解します。ステップ 3: 完全に溶解した金属液を精製し、精製中に金属温度を 700 ℃ ~ 750 ℃ の範囲内に維持します。ステップ 4: 精製後、完全に静置します。ステップ 5: 完全に静置した後、鋳造を開始し、炉の温度を 690 ℃ ~ 730 ℃ の範囲内に維持し、鋳造速度は 15 ~ 200mm/分です。ステップ 6: 加熱炉で合金インゴットに均質化焼鈍処理を行い、均質化温度は 400 ℃ ~ 470 ℃ です。ステップ 7: 均質化されたインゴットを剥離し、熱間押し出しを行って、壁の厚さが 2.0mm を超えるプロファイルを生成します。押出工程中、ビレットは350℃～410℃の温度に維持されます。ステップ8：プロファイルを圧縮して固溶体化処理を行い、固溶体温度は460～480℃です。ステップ9：72時間の固溶体化処理後、手動で強制時効処理を行います。手動強制時効処理は、90～110℃/24時間+170～180℃/5時間、または90～110℃/24時間+145～155℃/10時間です。
5、研究概要
希土類元素は、核融合や核分裂に広く利用されており、X線励起、プラズマ形成、軽水炉、超ウラン、ウラニル、酸化物粉末といった技術分野において多くの特許が取得されています。原子炉材料としては、原子炉構造材料や関連するセラミック絶縁材料、制御材料、中性子放射線防護材料などに利用されています。
投稿日時: 2023年5月26日