1、核物質の定義
広義の核物質とは、核燃料および核工学材料、すなわち非核燃料物質を含む、原子力産業および核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のは、主に原子炉のさまざまな部分で使用される物質を指し、原子炉材料としても知られています。原子炉材料には、中性子の衝突により核分裂を起こす核燃料、核燃料部品の被覆材、冷却材、中性子減速材（減速材）、中性子を強く吸収する制御棒材料、中性子の炉外への漏れを防ぐ反射材などがあります。
2、 レアアース資源と核資源の相互関係
モナザイトは、フォスフォセライトおよびフォスフォセライトとも呼ばれ、中間酸性火成岩および変成岩に含まれる一般的な副鉱物です。モナザイトは、希土類金属鉱石の主要鉱物の 1 つであり、一部の堆積岩にも存在します。褐色がかった赤色、黄色、時には褐色がかった黄色で、油っぽい光沢があり、完全な劈開、モース硬度は5～5.5、比重は4.9～5.5。
中国の一部の砂鉱型レアアース鉱床の主な鉱石鉱物はモナズ石で、主に銅城市、湖北省、岳陽市、湖南省、上饒市、江西省、孟海市、雲南省、および広西チワン族自治区の和県に位置しています。しかし、砂鉱型レアアース資源の採掘には経済的意義がない場合が多い。孤立した石には反射性の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・核分裂におけるレアアース応用の概要
レアアース検索元素のキーワードが完全に展開された後、展開キーと核分裂・核融合の分類番号を組み合わせてIncoptデータベース内で検索します。検索日は 2020 年 8 月 24 日です。単純なファミリー合併後に 4,837 件の特許が取得され、人工ノイズ低減後に 4,673 件の特許が決定されました。
核分裂・核融合分野におけるレアアースの特許出願は、日本、中国、アメリカ、ドイツ、ロシア等を中心に56の国・地域に分布しており、相当数の特許がPCT形式で出願されています。このうち中国の特許技術出願は特に2009年以降増加しており、急成長段階に入っており、日本、米国、ロシアは長年にわたりこの分野での配置を続けている（図1）。
図１ 各国・地域におけるレアアースの核分裂・核融合利用に関する技術特許の出願動向
技術テーマの分析から、核融合および核分裂におけるレアアースの応用は、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、中性子吸収およびその他の技術的方向に焦点を当てていることがわかります。
4、 核物質中の希土類元素の具体的な応用と主要な特許研究
中でも核物質は核融合・核分裂反応が激しく、材料に対する要求も厳しい。現在、発電炉は核分裂炉が主流ですが、50年後には核融合炉が大規模に普及する可能性があります。の応用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ます。加えて、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や制御棒として
発電用原子炉では、新しい炉心の初期残留反応度は一般に比較的高くなります。特に最初の燃料交換サイクルの初期段階では、炉心のすべての核燃料が新しいため、残留反応度が最も高くなります。この時点で、残留反応度を補うために制御棒の増加のみに依存すると、より多くの制御棒が導入されることになります。各制御棒（または制御棒束）は、複雑な駆動機構の導入に対応します。これによりコストが増加する一方で、圧力容器のヘッドに穴を開けると構造強度の低下につながる可能性があります。これは不経済であるだけでなく、圧力容器の頭部にある程度の気孔率と構造強度を持たせることもできません。しかし、制御棒を増やさずに、残りの反応性を補うために化学補償毒素（ホウ酸など）の濃度を高める必要があります。この場合、ホウ素濃度が閾値を超えやすくなり、減速材の温度係数がプラスになる。
前述の問題を回避するために、一般に可燃性毒素、制御棒、化学補償制御を組み合わせて制御を行うことができます。
（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が一定レベルの強度、耐食性、高い熱安定性を備えていると同時に、核分裂生成物が冷却材に侵入するのを防ぐ必要があります。
1) .レアアース鋼
原子炉は極端な物理的および化学的条件にあり、原子炉の各コンポーネントには使用される特殊鋼にも高い要件があります。希土類元素は、主に精製、変成、微細合金化、耐食性の向上など、鋼に対して特別な改質効果をもたらします。レアアースを含む鋼は原子炉でも広く使用されています。
① 浄化効果：レアアースは高温の溶鋼に対して良好な浄化効果があることが既存の研究でわかっています。これは、レアアースが溶鋼中の酸素や硫黄などの有害元素と反応して高温の化合物を生成する可能性があるためです。高温化合物は溶鋼が凝結する前に析出して介在物として排出され、溶鋼中の不純物含有量を低減することができる。
② 変成作用：一方、溶鋼中のレアアースと酸素や硫黄などの有害元素との反応により生成する酸化物、硫化物、酸硫化物の一部が溶鋼中に残留し、高融点鋼の介在物となることがある。 。これらの介在物は、溶鋼の凝固中に不均一核生成中心として使用され、鋼の形状と構造を改善します。
③ マイクロアロイング：レアアースの添加量をさらに増やすと、上記の精製と変成が完了した後、残りのレアアースが鋼中に溶解します。レアアースは鉄原子よりも原子半径が大きいため、表面活性が高くなります。溶鋼の凝固プロセス中に、希土類元素が粒界で濃縮され、粒界での不純物元素の偏析をよりよく減らすことができ、したがって固溶体を強化し、マイクロアロイの役割を果たします。一方、レアアースの水素貯蔵特性により、レアアースは鋼中の水素を吸収し、それによって鋼の水素脆化現象を効果的に改善することができます。
④ 耐食性の向上：希土類元素の添加により、鋼の耐食性も向上します。これは、レアアースがステンレス鋼よりも自己腐食の可能性が高いためです。したがって、希土類元素を添加するとステンレス鋼の自己腐食の可能性が高まり、腐食性媒体中での鋼の安定性が向上します。
2)。主要な特許調査
主要特許：中国科学院金属研究所による酸化物分散強化低活性化鋼とその製造方法の発明特許
特許概要： 核融合炉に適した酸化物分散強化型低放射化鋼及びその製造方法を提供し、低放射化鋼の全質量に占める合金元素の割合が、マトリックスがFe、0.08%≦C≦であることを特徴とする。 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%、0.05%≦Y 2O3 ≤ 0.5% 。
製造プロセス：Fe-Cr-WV-Ta-Mn母合金の精錬、粉末アトマイズ、母合金の高エネルギーボールミル粉砕、Y2O3 ナノ粒子混合粉末、粉末包埋抽出、固化成形、熱間圧延、熱処理。
レアアース添加方法：ナノスケール添加Y2O3高エネルギーボールミリング用母合金アトマイズ粉に粒子を添加し、ボールミリング媒体はΦ6とΦ10の混合硬鋼球、ボールミリング雰囲気はアルゴンガス99.99%、ボール材質質量比(8- １０）：１、ボールミル粉砕時間は４０〜７０時間、回転速度は３５０〜５００ｒ／ｍｉｎ。
3）.中性子線防護材料の製造に使用
① 中性子線防護の原則
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、これは電子質量の 1838 倍です。その半径は約 0.8 × 10-15m で、陽子と同様のサイズであり、γ 線と同様に帯電していません。中性子が物質と相互作用するとき、中性子は主に原子核内の核力と相互作用し、外殻内の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、核放射線の安全性と核放射線防護にますます注目が集まっています。放射線機器のメンテナンスや事故救助に長年従事する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料を開発することは、科学的意義と経済的価値が非常に高い。中性子放射線は原子炉放射線の最も重要な部分です。一般に、人間が直接接触する中性子の多くは、原子炉内の構造材の中性子遮蔽効果により、減速されて低エネルギー中性子となります。低エネルギーの中性子は、原子番号の小さい原子核と弾性的に衝突し、減速され続けます。減速された熱中性子は、より大きな中性子吸収断面積を有する元素によって吸収され、最終的に中性子遮蔽が達成されます。
② 主要な特許調査
多孔質で有機無機ハイブリッドの特性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ガドリニウム分散性を高めます。ガドリニウムの高い含有量と分散は、複合材料の中性子遮蔽性能に直接影響します。
主要特許：中国科学院合肥材料科学研究所、ガドリニウムベースの有機骨格複合遮蔽材とその製造方法の発明特許
特許概要: ガドリニウム系金属有機骨格複合遮蔽材は、混合して形成される複合材料です。ガドリニウムベースの金属有機骨格材料とポリエチレンを重量比 2:1:10 で溶媒蒸発またはホットプレスによって形成します。ガドリニウム系金属有機骨格複合遮蔽材は、高い熱安定性と熱中性子遮蔽能を有します。
製造プロセス: 異なる選択ガドリニウム金属塩と有機配位子を使用してさまざまな種類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、遠心分離によってメタノール、エタノール、または水の小分子で洗浄し、真空条件下で高温で活性化して残留未反応原料を完全に除去します。ガドリニウム系金属有機骨格材料の細孔内。ステップで調製されたガドリニウムベースの有機金属骨格材料は、ポリエチレンローションと高速で、または超音波で撹拌され、またはステップで調製されたガドリニウムベースの有機金属骨格材料は、完全に混合されるまで高温で超高分子量ポリエチレンと溶融ブレンドされ、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配置し、溶媒の蒸発を促進するための乾燥またはホットプレスによって形成されたガドリニウムベースの金属有機骨格複合シールド材料を得る。調製したガドリニウム系金属有機骨格複合遮蔽材は、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、熱中性子遮蔽能力に優れています。
希土類添加モード：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質結晶性配位高分子。Gd (NO3) 3 ・ 6H2O または GdCl3 ・ 6H2O有機カルボン酸配位子；ガドリニウム系金属有機骨格材料のサイズは50nm～2μmであり、ガドリニウム系金属有機骨格材料は、粒状、棒状、針状などの様々な形態を有する。
（4） 適用スカンジウム放射化学および原子力産業における
スカンジウム金属は、優れた熱安定性と強力なフッ素吸収性能を備えており、原子力産業において欠かせない材料となっています。
主要特許：中国航空宇宙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と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調製方法。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組成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%、その他の不純物の合計≦0.15%、残部はAlである。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構造は均一であり、極限引張強さは400MPa以上、降伏強さは350MPa以上、溶接継手の引張強さは370MPa以上で性能が安定しています。この材料製品は、航空宇宙、原子力産業、輸送、スポーツ用品、兵器、その他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た成分。ステップ2: 700℃〜780℃の温度で溶解炉で溶解します。ステップ３：完全に溶解した金属液体を精製し、精製中の金属温度を700℃〜750℃の範囲内に維持する。ステップ 4: 精製後、完全に静置する必要があります。ステップ5：完全に放置した後、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: 加熱炉内で合金インゴットに均質化焼鈍処理を行います。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がし、熱間押出を実行して壁厚 2.0 mm 以上のプロファイルを生成します。押出プロセス中、ビレットの温度は 350 ℃ ～ 410 ℃ に維持する必要があります。ステップ 8: 溶液温度 460 ～ 480 ℃で、溶体化急冷処理のためにプロファイルを絞ります。ステップ 9: 72 時間の固溶体焼入れ後、手動で強制時効処理を行います。手動強制エージング方式は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
全体として、レアアースは核融合や核分裂に広く使用されており、X 線励起、プラズマ形成、軽水炉、超ウラン、ウラニル、酸化物粉末などの技術分野で多くの特許レイアウトを持っています。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、中性子線防護材料としてレアアースが使用できます。
投稿日時: 2023 年 5 月 26 日