[发明专利]一种碳包覆钛酸锂氚增殖剂及其制备方法与制备装置系统

说明书

本发明提供一种C包覆Li₂TiO₃氚增殖剂及其制备方法与制备装置系统，所述制备方法包括以下步骤：(1)使Li₂TiO₃颗粒在保护气氛中处于流化状态；(2)在步骤(1)持续进行的基础上，混合Li₂TiO₃颗粒与碳源气体；(3)气固分离后得到C包覆Li₂TiO₃氚增殖剂。所述制备装置系统包括料仓、流化床包覆装置、尾气处理装置与产品收集装置。本发明克服了Li₂TiO₃对包层材料的腐蚀，同时提升了锂基陶瓷氚增殖剂在He‑H₂/H₂O环境中的稳定性。

技术领域

本发明属于核聚变技术领域，涉及核壳结构先进锂基陶瓷氚增殖剂的制备方法，尤其涉及一种C包覆Li₂TiO₃氚增殖剂及其制备方法与制备装置系统。

背景技术

氘(D)-氚(T)核聚变能(D+T→He+n+17.6MeV)因安全、清洁、高效等优点被认为是解决人类能源危机的重要途径之一。然而，氚燃料在自然界中含量较少，必须通过中子轰击含⁶Li的材料获取氚燃料(¹n+⁶Li→⁴He+3T+4.78MeV)。经过几十年的发展，目前Li₂TiO₃微球因具有Li密度高、氚释放性能好、抗压强度大、防潮性好等优异的特性被选为固态氚增殖包层的候选材料之一。

随着研究不断深入，最近人们逐渐发现在实际服役环境中，优选出的Li₂TiO₃微球会腐蚀包层材料，如与316不锈钢、IN625钢、低活化铁素体马氏体钢RAFM、欧洲-97号钢或ARAA合金钢反应，形成易碎的Li₅FeO₄，LiCrO₂，LiFeO₂等氧化物腐蚀层，恶化了包层结构材料的力学性能，尤其在He-H₂清扫气氛中，腐蚀现象更加明显，对核反应堆的长期稳定运行造成较大安全隐患。

形成腐蚀层的最主要原因在于Li₂TiO₃中的Li、O元素与钢基体中的Fe、Cr、Ni等元素具有较大的亲和力，在高温(500-900℃)服役环境中生成易碎、多孔(或裂纹)的氧化物腐蚀层，同时由于钢基体的元素向接触界面扩散导致基体内部成分偏析，从而进一步恶化了钢基体力学性能。另外，钢基体中的Fe元素也会通过扩散进入Li₂TiO₃晶格和晶界，降低了晶粒生长活化能，在长时间的服役环境中，晶粒会异常长大，导致微球的抗压强度下降和破碎，存在球床坍塌的安全隐患。

基于此，日本原子能机构设计出具有Er₂O₃涂层的RAFM钢(Fusion Eng.Des.87(2012)1777–1787)，通过设计Er₂O₃涂层，在微球与钢基体创造了一个障碍层，阻碍了Li₂TiO₃与钢基体之间的元素扩散与反应，从而提升包层的安全性。但是随着服役时间增加，由于氧化物和RAFM钢基体之间存在较大的热应力，导致涂层容易脱落。

CN108550404A公开了一种流态氚增殖陶瓷复合材料，所述流态氚增殖陶瓷复合材料由液固两相混合而成，既可消除现有的液态金属或熔盐氚增殖剂的磁流体动力学阻力效应和对包层结构材料的腐蚀作用，又可消除氚释出效率低、传热性低、易碎以及锂挥发造成载气通路堵塞等问题。然而所述发明成本较高，较难实现规模化批量生产，也无法从根本上避免氚增殖剂与包层材料之间的元素扩散，长期使用依旧存在包层材料腐蚀的问题。