一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聚變核能材料工程領(lǐng)域，主要涉及包層氚增殖劑材料，具體涉及一種 聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在聚變堆中，包層是實現(xiàn)氚燃料增殖與聚變核能輸出的關(guān)鍵部件，并且承擔(dān)著氚 增殖的重要作用。目前包層增殖劑種類可分為固態(tài)增殖劑和液態(tài)增殖劑兩種，固態(tài)增殖劑 采用硅酸鋰、鈦酸鋰、鋯酸鋰、氧化鋰等材料制成耐高溫陶瓷小球。工作時，通過聚變反應(yīng)產(chǎn) 生的14MeV的高能中子與小球中的鋰反應(yīng)生成氚，在合適的溫度下通過氦氣的吹洗將所產(chǎn) 生的氚提取出來。固態(tài)氚增殖劑由于鋰質(zhì)量分數(shù)較低，氚增殖能力不高需要專門安排高成 本的中子倍增劑（如：鈹Be)。液態(tài)增殖劑采用含有鋰Li的液態(tài)金屬（如鉛鋰LiPb、鋰Li) 或者熔鹽（如氟鋰鈹FLiBe)，相對于固態(tài)增殖劑液態(tài)增殖劑具有諸多優(yōu)點：1)高的氚增值 能力，鋰Li原子含量高，增殖劑本身就帶有中子倍增元素如：鉛Pb、鈹Be，無需在增加中子 倍增劑。2)復(fù)雜的幾何和適應(yīng)性：制造無需復(fù)雜的機械加工過程。3)良好的導(dǎo)熱和載熱能 力，允許設(shè)計高功率密度、高效率的包層方案。4)氚循環(huán)載體，可以實現(xiàn)在線提氚，減少了包 層的更換頻率，提高了堆得可用性。5)無壽命限制，可以實時補充消耗掉的鋰。
[0003] 液態(tài)氚增殖劑有著諸多優(yōu)點，但是同樣也存在關(guān)鍵性問題。在磁約束聚變反應(yīng)堆 內(nèi)，高溫等離子體通過高強的磁場進行約束，強磁場不僅對等離子體起到約束作用，同時也 產(chǎn)生了負面的影響--引起磁流體動力學(xué)（MHD)效應(yīng)。導(dǎo)電的流體在磁場中運動時會產(chǎn)生 感應(yīng)電動勢，進而產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁場相互作用產(chǎn)生反方向的體積力即洛倫茲 力，阻礙流體運動，即MHD效應(yīng)出現(xiàn)。MHD效應(yīng)的產(chǎn)生嚴重影響著液態(tài)金屬的流動特性：1) 形成巨大的MHD流動阻力，需要額外的驅(qū)動功率來彌補其帶來的壓降損失；2)在MHD效應(yīng) 作用下，液態(tài)金屬對結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問題變得更加嚴重；3)引起湍流特性的改變，壓制湍 流影響流體傳熱性能。
[0004] 解決MHD效應(yīng)帶來的問題對聚變堆液態(tài)包層的發(fā)展和聚變堆整個系統(tǒng)的安全高 效運行至關(guān)重要。根據(jù)MHD壓降計算公式ΔPMHD=kρσuB2,液態(tài)金屬的電導(dǎo)率（σ)與MHD 壓降（APMHD)大小成正比，降低液態(tài)增殖劑的電導(dǎo)率顯然是最有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種具有低電導(dǎo)率特征的納米金屬流 體，它解決了目前在磁約束聚變反應(yīng)堆中，液態(tài)金屬增殖劑面臨的MHD效應(yīng)問題。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑，該氚增殖劑為液 態(tài)基體與彌散顆粒組成的混合物，電導(dǎo)率在l-l〇6s/m之間，包含如下組分：液態(tài)增殖劑基 體，彌散顆粒；
[0007] 所述的液態(tài)增殖劑基體為金屬鋰（Li)、或鋰錫（LiSn)、或液態(tài)鉛鋰共晶體 (LiPb)、或其他含有鋰的液態(tài)合金、或液態(tài)熔鹽物質(zhì)；
[0008] 所述的彌散顆粒形式為納米顆粒，或微顆粒，粒徑范圍在lnm~1mm之間，材質(zhì) 為碳化硅（SiC)、或三氧化二鋁（A1203)、或氧化鈹（BeO)、或二氧化硅（Si02)、或氧化鉺 (Er203)、或硅酸鋰（Li2Si03)、或正硅酸鋰（Li4Si04)、或鈦酸鋰（Li2Ti03)、或氧化鋰（Li20)、 或偏錯酸鋰（LiA102)、或錯酸鋰（Li2Zr03)、或上述二者或多者混合。
[0009] 其中，所述的液態(tài)增殖劑各組分所占體積百分數(shù)為：液態(tài)增殖劑基體 60% -99. 99%，彌散顆粒 0· 01% -40%。
[0010] 本發(fā)明另外提供一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑的制備方法，該方法包含如下 連續(xù)步驟：
[0011] (1)選用納米顆?；蛭㈩w粒；
[0012] (2)將顆粒進行高溫煅燒并同時利用惰性氣體吹洗處理；
[0013] (3)將顆粒表面進行改性處理；
[0014] (4)在將煅燒處理后的顆粒與液態(tài)金屬集體混合；
[0015] (5)在帶氣氛保護或真空爐中，熔煉液態(tài)金屬，溫度范圍200°C-1000°C;
[0016] (6)超聲振蕩，并機械攪拌0.5-12小時，得到分散均勻的低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑。
[0017] 本發(fā)明的原理在于：
[0018] 本發(fā)明首次提出將低電導(dǎo)率的納米顆?；蛭㈩w粒彌散于液態(tài)金屬或熔鹽基體中， 制備一種新型低電導(dǎo)率聚變反應(yīng)堆液態(tài)氚增殖劑。根據(jù)麥克斯韋電導(dǎo)率方程：
[0020] 向電導(dǎo)率為的連續(xù)液態(tài)基體中，彌散電導(dǎo)率為σ2的絕緣納米顆?；蛘呶㈩w 粒，得到顆粒體積與混合物的體積之比為φ的液態(tài)氚增殖劑，其電導(dǎo)率相比于未加入 絕緣納米顆?；蛭⑶蝾w粒的液態(tài)金屬的電導(dǎo)率有著顯著降低，隨著所加入納米顆粒體積分 數(shù)的增加液態(tài)金屬電導(dǎo)率成指數(shù)型下降，從而可以有效地改善MHD效應(yīng)。
[0021] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0022] 1)本發(fā)明提供的液態(tài)氚增殖劑，具有低電導(dǎo)率特點，電導(dǎo)率范圍l_106s/m。相比 原增殖劑基體，電導(dǎo)率實現(xiàn)數(shù)量級的降低，因而能夠顯著控制聚變反應(yīng)堆運行時產(chǎn)生的感 應(yīng)電動勢，進而解決或減緩MHD效應(yīng)的影響。
[0023] 2)本發(fā)明提供的液態(tài)氚增殖劑，相比原增殖劑基體，由于添加了納米顆粒/微顆 粒，增強熱傳導(dǎo)率，可作為聚變堆包層冷卻劑使用，因而能夠簡化包層結(jié)構(gòu)，提高聚變堆出 口溫度，提升熱電效率，優(yōu)化聚變能經(jīng)濟性。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明方法制備設(shè)備示意圖；
[0025] 其中：1加熱容器，2加熱爐與加熱原件，3納米顆粒或微顆粒，4攪拌裝置，5加熱 爐，6液態(tài)金屬或熔鹽。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實例用于說明 本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027] 實施例1 :
[0028] 本發(fā)明一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑，該氚增殖劑為液態(tài)基體與彌散顆粒組 成的混合物，電導(dǎo)率在l-l〇6s/m之間，包含如下組分：液態(tài)增殖劑基體，彌散顆粒；
[0029]所述的液態(tài)增殖劑基體為金屬鋰（Li)、或鋰錫（LiSn)、或液態(tài)鉛鋰共晶體 (LiPb)、或其他含有鋰的液態(tài)合金、或液態(tài)熔鹽物質(zhì)；
[0030] 所述的彌散顆粒形式為納米顆粒，或微顆粒，粒徑范圍在lnm~1mm之間，材質(zhì) 為碳化硅（SiC)、或三氧化二鋁（A1203)、或氧化鈹（BeO)、或二氧化硅（Si02)、或氧化鉺 (Er203)、或硅酸鋰（Li2Si03)、或正硅酸鋰（Li4Si04)、或鈦酸鋰（Li2Ti03)、或氧化鋰（Li20)、 或偏錯酸鋰（LiA102)、或錯酸鋰（Li2Zr03)、或上述二者或多者混合。
[0031] 其中，所述的液態(tài)增殖劑各組分所占體積百分數(shù)為：液態(tài)增殖劑基體 60% -99. 99%，彌散顆粒 0· 01% -40%。
[0032] 施例 2 :
[0033] 本發(fā)明提供了一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑，所述的低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑 為液態(tài)金屬純鋰、鋰錫、液態(tài)鉛鋰共晶體或其他含有鋰的液態(tài)金屬共晶體或液態(tài)熔鹽物質(zhì) 中加入絕緣納米顆?；蛘呶㈩w粒，經(jīng)過機械攪拌和超聲震蕩形成穩(wěn)定的液態(tài)增殖劑。
[0034] 優(yōu)選的，所述的液態(tài)金屬基液材質(zhì)為液態(tài)鉛鋰共晶體和液態(tài)金屬純鋰。
[0035] 優(yōu)選的，所述的絕緣顆粒形式為納米顆粒，或微球顆粒，粒徑范圍lnm~1mm，材質(zhì) 為碳化娃、三氧化二鋁。
[0036] 實施例3 :
[0037] 如圖1所示，是本發(fā)明方法制備設(shè)備示意圖，以下是本發(fā)明在制備低電導(dǎo)率液態(tài) 氚增殖劑的過程之中形成的實施方法：
[0038] 步驟1 :選用絕緣納米顆?；蛘呶⑶蝾w粒；
[0039] 步驟2 :進行高溫煅燒并同時利用惰性氣體吹洗處理；
[0040] 步驟3 :將顆粒表面進行改性處理；
[0041] 步驟4 :按體積計，在將煅燒處理后的絕緣納米顆?；蛘呶⑶蝾w粒3與液態(tài)金屬6 基體混合；
[0042] 步驟5 :在帶氣氛保護或真空高溫爐5中，熔煉液態(tài)金屬6,通過高溫加熱爐加熱原 件2將溫度范圍控制在200°C-1000°C;
[0043] 步驟6 :通過機械攪拌設(shè)備4和超聲震蕩法對加入了絕緣顆粒的液態(tài)金屬或者熔 鹽進行攪拌〇. 5-12小時，得到分散均勻的低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑。
[0044] 本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
[0045]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人 員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變 化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【主權(quán)項】
1. 一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑，其特征在于，該氚增殖劑為液態(tài)基體與彌散顆 粒組成的混合物，電導(dǎo)率在l-106s/m之間，包含如下組分：液態(tài)增殖劑基體，彌散顆粒； 所述的液態(tài)增殖劑基體為金屬鋰（Li)、或鋰錫（LiSn)、或液態(tài)鉛鋰共晶體（LiPb)、或 其他含有鋰的液態(tài)合金、或液態(tài)熔鹽物質(zhì)； 所述的彌散顆粒形式為納米顆粒，或微顆粒，粒徑范圍在lnm~1mm之間，材質(zhì)為碳化 硅（SiC)、或三氧化二鋁（A1203)、或氧化鈹（BeO)、或二氧化硅（Si02)、或氧化鉺（Er203)、或 硅酸鋰（Li2Si03)、或正硅酸鋰（Li4Si04)、或鈦酸鋰（Li2Ti03)、或氧化鋰（Li20)、或偏鋁酸鋰 (LiA102)、或錯酸鋰（Li2Zr03)、或上述二者或多者混合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑，其特征在于：所述的液態(tài)增 殖劑各組分所占體積百分數(shù)為：液態(tài)增殖劑基體60% -99. 99%，彌散顆粒0. 01% -40%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑的制備方法，其特征在于： 該方法包含如下連續(xù)步驟： (1) 選用納米顆粒或微顆粒； (2) 將顆粒進行高溫煅燒并同時利用惰性氣體吹洗處理； (3) 將顆粒表面進行改性處理； (4) 在將煅燒處理后的顆粒與液態(tài)金屬集體混合； (5) 在帶氣氛保護或真空爐中，熔煉液態(tài)金屬，溫度范圍200°C-1000°C; (6) 超聲振蕩，并機械攪拌0. 5-12小時，得到分散均勻的低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚變用低電導(dǎo)率液態(tài)氚增殖劑及其制備方法，該氚增殖劑為液態(tài)基體與彌散顆粒組成的混合物，電導(dǎo)率區(qū)間在1-106s/m，按體積百分數(shù)，氚增殖劑包含如下組分：液態(tài)增殖劑基體60％-99.99％，彌散顆粒0.01％-40％，彌散顆粒材質(zhì)采用碳化硅、或三氧化二鋁、或氧化鈹、或二氧化硅、或氧化鉺、或硅酸鋰、或正硅酸鋰、或鈦酸鋰、或氧化鋰、或偏鋁酸鋰、或鋯酸鋰、或上述二者或多者混合。其制備方法是：在帶氣氛保護的高溫爐中，通過機械攪拌，將煅燒后的彌散顆粒分散于液態(tài)金屬中。本發(fā)明氚增殖劑在保證良好氚增殖性能的前提下，有效的降低電導(dǎo)率，增強熱導(dǎo)率，從而顯著的降低液態(tài)金屬氚增殖劑在強磁場下的磁流體動力學(xué)壓降(MHD效應(yīng))。
【IPC分類】G21B1/11
【公開號】CN105405471
【申請?zhí)枴緾N201510968390
【發(fā)明人】倪木一, 蔣潔瓊, 張世超, 孟孜, 季翔
【申請人】中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月18日