[发明专利]一种氚-中子复合增殖剂铅酸锂共晶陶瓷球粒及制备方法

说明书

一种氚‑中子复合增殖剂铅酸锂共晶陶瓷球粒及制备方法，包含铅酸锂共晶陶瓷粉体的制备、表征和直径约1mm的铅酸锂共晶陶瓷球粒的制备与性能检测。采用溶胶凝胶法，制备不同元素配比的凝胶并干燥，在空气中烧结得到铅酸锂共晶陶瓷粉体，与聚乙烯醇水溶液配制成浆料，滴入液氮快速冷冻并利用丙酮蒸发原理干燥。本发明使铅元素中子倍增反应和锂元素氚增殖反应在一种材料中进行，可在提高氚增殖率的同时简化包层的设计；利用Pb与Si(或Ti)在化学成键上的相似性形成共晶结构，具有良好的机械‑物理性质；改良了冷冻干燥工艺，使干燥过程无需专门的低温真空干燥机，大幅度提高了干燥效率。

技术领域

本发明涉及一种氚-中子复合增殖剂铅酸锂共晶陶瓷球粒及制备方法，所述方法为聚变堆包层先进中子倍增与氚增殖铅酸锂共晶陶瓷球粒的制备方法，属于先进核反应堆燃料研究领域。

背景技术

受控氘氚聚变的实现，对于在较长的时期内满足人类社会的主要能源需求具有重要意义。由于作为聚变燃料的氚在自然界中几乎不存在，因此需要借助聚变产生的高能中子与锂的同位素在聚变堆包层中进行核反应获得氚(即氚增殖反应)，以实现氚的增殖和循环利用。国际热核聚变反应实验堆(ITER)和中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计与建造，将验证和解决受控氘氚聚变的具体工程问题，其中氚自持是核心工程问题之一。ITER和CFETR主要采用固态增殖包层设计，主要备选的中子倍增剂为铍或铍钛小球，氚增殖剂为正硅酸锂(Li₄SiO₄)或偏钛酸锂(Li₂TiO₃)陶瓷小球。

由于氚增殖反应中，消耗1mol的中子至多产生1mol的氚，不能补偿实现氘氚聚变反应中消耗的氚，即无法实现氚自持。因此聚变堆的包层结构中，还要设置中子倍增材料，通常为铍或铅，利用高能中子与铍或铅原子核反应产生更多的中子(即中子倍增反应)，以提高氚增殖率进而实现氚自持。在现有的聚变堆包层设计中，通常使氚增殖材料与中子倍增材料分区交替放置，以尽可能使中子与锂原子核充分反应。这使得聚变堆包层结构复杂，既增加了建造、运行和维护成本，又不利于氚增殖反应的更进一步提高。另外，由于铍元素对于人体健康和环境安全有较大的威胁，减少铍元素的使用也是先进核燃料的主要发展要求。

氚增殖陶瓷小球的成型常采用冷冻干燥工艺，得到的小球具有粒径分布较窄，球形度好，力学性能好的优点。现行的工艺流程是采用含有陶瓷粉末的浆料滴入液氮中冷冻成型后，使用低温真空干燥机，通过水分子的升华过程实现冷冻小球的干燥，干燥时间通常超过24h。

发明内容

该共晶陶瓷同时包含具备中子倍增功能的Pb和具有氚增殖功能的Li，使得中子倍增反应和氚增殖反应在一种材料中进行

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种氚-中子复合增殖剂铅酸锂共晶陶瓷球粒及制备方法。即提供一种聚变堆包层中子-氚复合增殖剂铅酸锂共晶陶瓷球粒及制备方法，整合现有包层设计中氚增殖材料和中子倍增材料的功能，使氚增殖反应与中子倍增反应在一种材料中实现。既简化包层结构，解决了采用正硅酸锂球粒作为增殖材料时，必须在包层内需要设置多层铍或铅中子倍增材料的问题，又提高了氚增殖效率，可有效解决聚变堆氚自持难题。另外，利用Pb与Si(或Ti)在化学成键上的相似性形成共晶结构，保持Li₄PbO₄、Li₄TiO₄的原有优良机械-物理性质。

本发明采用的技术方案为：

一种氚-中子复合增殖剂铅酸锂共晶陶瓷球粒及制备方法，所述铅酸锂共晶陶瓷的化学式为Li₄Pb_xMO₄，M＝Si或Ti，x＝0.1～0.5，所述铅酸锂共晶陶瓷结构上是Li₄PbO₄和Li₄MO₄共晶相；所述铅酸锂共晶陶瓷球粒平均直径为0.8mm～1.2mm，球形度为0.95～1.00，破碎载荷为20～50N。