核聚变堆用氚增殖剂材料及其制备技术的研究进展与发展趋势

发布时间：2025-04-15 04:42

　　 核聚变能是清洁安全的理想能源,是最终可能解决人类能源问题的途径之一。氚是核聚变的关键原料,自然界中存在稀少,如何利用氘-氚聚变反应产生的中子与含有锂的氚增殖剂材料发生核反应制备氚并使之自持是目前聚变工程堆尚待验证的核心关键技术,且是三大难题之一。常用氚增殖剂材料包括液态含锂金属与固态含锂陶瓷,目前示范堆型设计主要考虑选用固态陶瓷增殖剂,包括硅酸锂（Li₄SiO₄）、钛酸锂（Li₂TiO₃）、锆酸锂（Li₂ZrO₃）、氧化锂（Li₂O）等,并将增殖剂包层设计为球床结构。欧盟氦冷球床包层（HCPB）和中国氦冷固态包层（HCSB）中均选用Li₄SiO₄小球为增殖剂材料。根据以往设计经验,中国聚变工程实验堆（CFETR）也优先考虑硅酸锂小球作为氚增殖剂材料。本文总结了传统氚增殖剂的制备技术,包括锂同位素分离技术、小球成型工艺技术和成型过程中相纯度控制。分析对比了国内、国外氚增殖剂的常用方法的差异与优...

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【部分图文】：

图4 挂浆法制备多孔Li4Si O4的工艺流程示意图

西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室的研究人员[61]采用粉末烧结方法，在700～1100℃的烧结温度下成功制备了Li4SiO4陶瓷多孔材料，孔隙率小于50%;通过对压制模具的设计，改变材料形状以便满足不同服役环境的需求，制备不同块体的多孔Li4SiO4材料。同时金....

图1 聚变堆内氚增殖过程示意图

从式(1)中可以看出，聚变反应原料需要氘和氚，其中氘可以从海水中提取，其储量丰富，每1L海水中可提取33mg氘。但氚在自然界中储量极少且价格高昂，如何有效获取氚进行核聚变反应是目前研究的主要问题。解决此问题的关键在于氚的自持，故聚变堆需要有氚增殖剂，一般选用含Li材料，通过D....

图2 传统球床结构与多孔整体床结构对比示意图

多孔氚增殖剂的优势在于有利于氚的释放，氚的释放通道灵活可调控，且热稳定性好。多孔大小可通过不同的工艺手段调节，从而实现不同的装载率，是一种一体成型的新材料，有广阔的研究前景。加州大学洛杉矶分校Sharafat等[60]首次提出了制备多孔块体氚增殖剂材料，并进行了相关研究。实验中，....

图3(a)网状碳骨架;(b)块体密度78%样品;(c)块体密度88%样品;(d)X射线层析孔隙分布[60]

进一步改进制备工艺，通过化学气相渗透调节网状碳骨架尺寸后再进行陶瓷的浇注，氚释放的通道尺寸可基于此调节，从而获得不同密度的Li2ZrO3材料，其结构灵活，可根据需求调控。文献[60]根据氚增殖剂材料的一般要求控制Li2ZrO3的密度，制备出的最短氚扩散距离为0.4mm。在服....

本文编号：4040093