CN105405471B - 一种聚变用低电导率液态氚增殖剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚变用低电导率液态氚增殖剂及其制备方法，该氚增殖剂为液态基体与弥散颗粒组成的混合物，电导率区间在1‑106s/m，按体积百分数，氚增殖剂包含如下组分：液态增殖剂基体60％‑99.99％，弥散颗粒0.01％‑40％，弥散颗粒材质采用碳化硅、或三氧化二铝、或氧化铍、或二氧化硅、或氧化铒、或硅酸锂、或正硅酸锂、或钛酸锂、或氧化锂、或偏铝酸锂、或锆酸锂、或上述二者或多者混合。其制备方法是：在带气氛保护的高温炉中，通过机械搅拌，将煅烧后的弥散颗粒分散于液态金属中。本发明氚增殖剂在保证良好氚增殖性能的前提下，有效的降低电导率，增强热导率，从而显著的降低液态金属氚增殖剂在强磁场下的磁流体动力学压降(MHD效应)。

Description

一种聚变用低电导率液态氚增殖剂及其制备方法
技术领域
本发明属于聚变核能材料工程领域，主要涉及包层氚增殖剂材料，具体涉及一种聚变用低电导率液态氚增殖剂及其制备方法。
背景技术
在聚变堆中，包层是实现氚燃料增殖与聚变核能输出的关键部件，并且承担着氚增殖的重要作用。目前包层增殖剂种类可分为固态增殖剂和液态增殖剂两种，固态增殖剂采用硅酸锂、钛酸锂、锆酸锂、氧化锂等材料制成耐高温陶瓷小球。工作时，通过聚变反应产生的14MeV的高能中子与小球中的锂反应生成氚，在合适的温度下通过氦气的吹洗将所产生的氚提取出来。固态氚增殖剂由于锂质量分数较低，氚增殖能力不高需要专门安排高成本的中子倍增剂(如：铍Be)。液态增殖剂采用含有锂Li的液态金属(如铅锂LiPb、锂Li)或者熔盐(如氟锂铍FLiBe)，相对于固态增殖剂液态增殖剂具有诸多优点：1)高的氚增值能力，锂Li原子含量高，增殖剂本身就带有中子倍增元素如：铅Pb、铍Be，无需在增加中子倍增剂。2)复杂的几何和适应性：制造无需复杂的机械加工过程。3)良好的导热和载热能力，允许设计高功率密度、高效率的包层方案。4)氚循环载体，可以实现在线提氚，减少了包层的更换频率，提高了堆得可用性。5)无寿命限制，可以实时补充消耗掉的锂。
液态氚增殖剂有着诸多优点，但是同样也存在关键性问题。在磁约束聚变反应堆内，高温等离子体通过高强的磁场进行约束，强磁场不仅对等离子体起到约束作用，同时也产生了负面的影响——引起磁流体动力学(MHD)效应。导电的流体在磁场中运动时会产生感应电动势，进而产生感应电流，感应电流与磁场相互作用产生反方向的体积力即洛伦兹力，阻碍流体运动，即MHD效应出现。MHD效应的产生严重影响着液态金属的流动特性：1)形成巨大的MHD流动阻力，需要额外的驱动功率来弥补其带来的压降损失；2)在MHD效应作用下，液态金属对结构材料的腐蚀问题变得更加严重；3)引起湍流特性的改变，压制湍流影响流体传热性能。
解决MHD效应带来的问题对聚变堆液态包层的发展和聚变堆整个系统的安全高效运行至关重要。根据MHD压降计算公式ΔPMHD＝kpσuB2，液态金属的电导率(σ)与MHD压降(ΔPMHD)大小成正比，降低液态增殖剂的电导率显然是最有效的方法。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种具有低电导率特征的纳米金属流体，它解决了目前在磁约束聚变反应堆中，液态金属增殖剂面临的MHD效应问题。
本发明采用的技术方案为：一种聚变用低电导率液态氚增殖剂，该氚增殖剂为液态基体与弥散颗粒组成的混合物，电导率在1-106S/m之间，包含如下组分：液态增殖剂基体，弥散颗粒；
所述的液态增殖剂基体为金属锂(Li)、或锂锡(LiSn)、或液态铅锂共晶体(LiPb)、或其他含有锂的液态合金、或液态熔盐物质；
所述的弥散颗粒形式为纳米颗粒，或微颗粒，粒径范围在1nm～1mm之间，材质为碳化硅(SiC)、或三氧化二铝(Al2O3)、或氧化铍(BeO)、或二氧化硅(SiO2)、或氧化铒(Er2O3)、或硅酸锂(Li2SiO3)、或正硅酸锂(Li4SiO4)、或钛酸锂(Li2TiO3)、或氧化锂(Li2O)、或偏铝酸锂(LiAlO2)、或锆酸锂(Li2ZrO3)、或上述二者或多者混合。
其中，所述的液态增殖剂各组分所占体积百分数为：液态增殖剂基体60％-99.99％，弥散颗粒0.01％-40％。
本发明另外提供一种聚变用低电导率液态氚增殖剂的制备方法，该方法包含如下连续步骤：
(1)选用纳米颗粒或微颗粒；
(2)将颗粒进行高温煅烧并同时利用惰性气体吹洗处理；
(3)将颗粒表面进行改性处理；
(4)在将煅烧处理后的颗粒与液态金属集体混合；
(5)在带气氛保护或真空炉中，熔炼液态金属，温度范围200℃-1000℃；
(6)超声振荡，并机械搅拌0.5-12小时，得到分散均匀的低电导率液态氚增殖剂。
本发明的原理在于：
本发明首次提出将低电导率的纳米颗粒或微颗粒弥散于液态金属或熔盐基体中，制备一种新型低电导率聚变反应堆液态氚增殖剂。根据麦克斯韦电导率方程：
向电导率为σ1的连续液态基体中，弥散电导率为σ2的绝缘纳米颗粒或者微颗粒，得到颗粒体积与混合物的体积之比为Φ的液态氚增殖剂，其电导率σm相比于未加入绝缘纳米颗粒或微球颗粒的液态金属的电导率有着显著降低，随着所加入纳米颗粒体积分数的增加液态金属电导率成指数型下降，从而可以有效地改善MHD效应。
本发明具有以下优点：
1)本发明提供的液态氚增殖剂，具有低电导率特点，电导率范围1-106s/m。相比原增殖剂基体，电导率实现数量级的降低，因而能够显著控制聚变反应堆运行时产生的感应电动势，进而解决或减缓MHD效应的影响。
2)本发明提供的液态氚增殖剂，相比原增殖剂基体，由于添加了纳米颗粒/微颗粒，增强热传导率，可作为聚变堆包层冷却剂使用，因而能够简化包层结构，提高聚变堆出口温度，提升热电效率，优化聚变能经济性。
附图说明
图1为本发明方法制备设备示意图；
其中：1加热容器，2加热炉与加热原件，3纳米颗粒或微颗粒，4搅拌装置，5加热炉，6液态金属或熔盐。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
本发明一种聚变用低电导率液态氚增殖剂，该氚增殖剂为液态基体与弥散颗粒组成的混合物，电导率在1-106S/m之间，包含如下组分：液态增殖剂基体，弥散颗粒；
所述的液态增殖剂基体为金属锂(Li)、或锂锡(LiSn)、或液态铅锂共晶体(LiPb)、或其他含有锂的液态合金、或液态熔盐物质；
所述的弥散颗粒形式为纳米颗粒，或微颗粒，粒径范围在1nm～1mm之间，材质为碳化硅(SiC)、或三氧化二铝(Al2O3)、或氧化铍(BeO)、或二氧化硅(SiO2)、或氧化铒(Er2O3)、或硅酸锂(Li2SiO3)、或正硅酸锂(Li4SiO4)、或钛酸锂(Li2TiO3)、或氧化锂(Li2O)、或偏铝酸锂(LiAlO2)、或锆酸锂(Li2ZrO3)、或上述二者或多者混合。
其中，所述的液态增殖剂各组分所占体积百分数为：液态增殖剂基体60％-99.99％，弥散颗粒0.01％-40％。
施例2：
本发明提供了一种聚变用低电导率液态氚增殖剂，所述的低电导率液态氚增殖剂为液态金属纯锂、锂锡、液态铅锂共晶体或其他含有锂的液态金属共晶体或液态熔盐物质中加入绝缘纳米颗粒或者微颗粒，经过机械搅拌和超声震荡形成稳定的液态增殖剂。
优选的，所述的液态金属基液材质为液态铅锂共晶体和液态金属纯锂。
优选的，所述的绝缘颗粒形式为纳米颗粒，或微球颗粒，粒径范围1nm～1mm，材质为碳化硅、三氧化二铝。
实施例3：
如图1所示，是本发明方法制备设备示意图，以下是本发明在制备低电导率液态氚增殖剂的过程之中形成的实施方法：
步骤1：选用绝缘纳米颗粒或者微球颗粒；
步骤2：进行高温煅烧并同时利用惰性气体吹洗处理；
步骤3：将颗粒表面进行改性处理；
步骤4：按体积计，在将煅烧处理后的绝缘纳米颗粒或者微球颗粒3与液态金属6基体混合；
步骤5：在带气氛保护或真空高温炉5中，熔炼液态金属6，通过高温加热炉加热原件2将温度范围控制在200℃-1000℃；
步骤6：通过机械搅拌设备4和超声震荡法对加入了绝缘颗粒的液态金属或者熔盐进行搅拌0.5-12小时，得到分散均匀的低电导率液态氚增殖剂。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种聚变用低电导率液态氚增殖剂，其特征在于，该氚增殖剂为液态基体与弥散颗粒组成的混合物，电导率在1-106S/m之间，包含如下组分：液态增殖剂基体，弥散颗粒；
所述的液态增殖剂基体为金属锂(Li)、或锂锡(LiSn)、或液态铅锂共晶体(LiPb)、或其他含有锂的液态合金、或液态熔盐物质；
所述的弥散颗粒形式为纳米颗粒，或微颗粒，粒径范围在1nm～1mm之间，材质为碳化硅(SiC)、或三氧化二铝(Al2O3)、或氧化铍(BeO)、或二氧化硅(SiO2)、或氧化铒(Er2O3)、或硅酸锂(Li2SiO3)、或正硅酸锂(Li4SiO4)、或钛酸锂(Li2TiO3)、或氧化锂(Li2O)、或偏铝酸锂(LiAlO2)、或锆酸锂(Li2ZrO3)、或上述二者或多者混合；
所述的液态增殖剂各组分所占体积百分数为：液态增殖剂基体60％-99.99％，弥散颗粒0.01％-40％；
所述聚变用低电导率液态氚增殖剂采用如下连续步骤制备：
(1)选用纳米颗粒或微颗粒；
(2)将颗粒进行高温煅烧并同时利用惰性气体吹洗处理；
(3)将颗粒表面进行改性处理；
(4)在将煅烧处理后的颗粒与液态金属集体混合；
(5)在带气氛保护或真空炉中，熔炼液态金属，温度范围200℃-1000℃；
(6)超声振荡，并机械搅拌0.5-12小时，得到分散均匀的低电导率液态氚增殖剂。
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