JPH07504984A - 改良された機械的性質及び表面品質を有する実質的に球状のケイ酸リチウム粒子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された機械的性質及び表面品質を有する実質的に球状のケイ酸リチウム粒子 技術分野 本発明は、請求の範囲第１項の特徴部分に規定されている特殊の添加剤により、 中性子の衝撃によって三重水素を放出するというその粒子材料の特性に対し悪影 響を及ぼすことな（、特に機械的性質が著しく改良され、それによって三重水素 の増殖材料として有利に用いることができる実質的に球状のケイ酸リチウム粒子 に関する。

背景技術 ケイ酸リチウムは、核融合で必要とされる三重水素の原子炉内での直接生産に対 する一つの選択を提示している。それに関し、ケイ酸リチウム中に存在する２Ｌ Ｌは、融合過程で生じる中性子を捕獲し、核反応（増殖反応）でそれ自体はヘリ ウムと三重水素に変化する。

ｆｆ１Ｌｉ　＋　届　−１３Ｈｅ　＋　？Ｔ　（１）生成した三重水素は、次い で原子炉内で核融合反応においてプラズマに用いられ、中性子を放出し、この中 性子は次いで増殖反応に用いることができる。

？Ｔ　＋　？Ｄ　−４３Ｈｅ　＋　八〇　十　エネルギー　（２）増殖反応に必 要とされるｆＬｉは、たとえば、ケイ酸リチウムのような種々の形態で供給する ことができ、この場合、オルトケイ酸リチウムがより好ましい（参照、フュージ ョン・テクノロジー（Ｆｕｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｌ、１９９０年、第 ９７８頁）。

固体のリチウムキャリア剤の場合、これらを固体床として配置するのには多くの 可能性があり（参照、イー、プローストら（Ｅ、　Ｐｒｏｕｓｔ　ｅｔ　ａｌｌ ｌｌ第２隙 カールスルーエにて．１９９１年６月２〜７日）、ペブル（小石）床という形態 での配置は一つの選択を提示するにすぎない。

もし、ペブル床を選択することが、核融合炉のための配置として望まれるならば 、粒子は、公知の方法（噴霧方法、遠心分離方法など）に従って数１０００μｍ までの大きさにその溶融物から直接生産することができる。

球状粒子が溶融物から直接生産される製造方法では、生産された粒子の約１０〜 ２０％以下の割合で微小亀裂や空洞がたいてい観察される。これらの粒子は機械 的能力をほとんど有さないため欠陥品として分類される。

例えば、オルトケイ酸リチウムの粒子が，上述したような欠陥が生じたとき、そ の粒子の最大耐圧力は８Ｎから２Ｎに低下してしまう（　参！！！（、ジャーナ ル・オプ・ニュークリアー・マテリアル（Ｊ．　Ｎｕｃ．　Ｍａｔｅｒ．）、１ ５５〜５７　（１９８８）、４５１）。欠陥粒子は欠陥のない粒子中に統計学的 に分布しているので、粒子は全体として機械的性質においてかなりの偏差がある 。後述する圧力テストは、機械的能力を評価するのに供される。

もし、粒子が使用中に温度や圧力歪の変化を絶え間なく受けると、その一部が破 壊されることがあり、従ってそれらの適性が疑われてしまう。粒子が核融合炉内 における三重水素のための増殖材料として用いられる場合、このようなケースが 発生してしまう。増殖材料としてのそれらの適性は後述する熱サイクルテストに より決定される。

核融合炉のブランケット中にあるペブル床の温度と圧力に対する耐性について， 公知の球状ケイ酸リチウムを用いて行われた模擬テストでは、使用された粒子の １０％までが、歪と破壊に耐えないことを示している（参照、フュージョン・テ クノロジー、１９９０年、第８２２頁）。特に前記した欠陥粒子はこのような状 況を呈する。

オルトケイ酸リチウム及び／又はその化合物、並びにアルミニウム及び／又はア ルミニウム化合物にケイ素を添加して行ったテストが、すでに何度も実験室レベ ルで行われ、その結果改善された結果が得られたが、改善された結果は、正確に 定められた条件の下におけるその後の処理によってのみ得ることができた（参照 、フュージョン・テクノロジー、１９９０年、第８２２頁）。その後の処理は、 回転管型炉中のオルトケイ酸リチウムのペブル（小石）を正確に１０３０℃まで 加熱し、次いですみやかにそれを再び１０２４℃未満に冷却することから成る。

１０２４℃以上の温度でケイ素に富んだ相が液化される（図５参照）時間は、５ 分を越えない方がよい。というのも、そのペブルはそうしないと互いに融合して しまうからである。そのように定められた臨界状態に達しないペブルは、機械的 性質の改良とまでいかない。これらの正確に定められた条件を大規模に実現する ことは、それゆえ非常に難しい。

発明の開示 本発明は、アルミニウム及び／又はケイ素及び／又はそれらの化合物を添加剤と して５重量％まで含み得る、核融合のための増殖材料として適しているケイ酸リ チウムから成る球状粒子の機械的性質及び表面品質を最適化し，欠陥粒子の数を 最小限に減らすこと、それによりその増殖特性ができる限り損われないように、 すなわち三重水素の放出ができる限り影響を受けないようにするという課題から 出発している。

この課題は、本発明に従って、テルル及び／又はテルル化合物を添加剤として添 加することにより解決される。

本発明に係る粒子は、それ自体は，公知の方法によりその溶融物から直接生産さ れる。固体床を生産するには、その溶融物からの直接生産以外の公知の生産方法 も用いることができる。

核融合技術で増殖材料として使用される粒子は、小球以外の形態（粉末、薄膜、 圧縮粒子等々）でもよい。そういう訳で、本発明も、もっばら球状粒子に限定さ れるものではなく、ある程度非球状の粒子も含む。

本発明による添加の結果、一方では粒子中に微小亀裂や空洞を形成する傾向が著 しく低減され、他方ではそれらの表面粗さは本質的に変化しないという効果が得 られる。結果として、粒子の機械的、物理的性質においてほとんど変化が見られ ず、それらの機械的強度は、後述する比較テストで示されるように、予測できな い程度に全体的に改良される。

それゆえ、濃縮したあるいは減損した：ＬＩを持ったケイ酸リチウムが使われる かどうかとは無関係である。

たとえ粒子が生産工程後に調質されても、これらの有利な性質は保たれる。

本発明に係るケイ酸リチウムの機械的性質は、例えばボールベアリングなど他の 技術分野でも使用できる程良好である。もちろん、そのような応用には核融合で 用いられるものよりも大寸法の球状粒子が用いられる。

発明を実施するだめの態様 災施廻 比較用に公知の組成から成る試料Ａ、−Ｄと本発明に係る組成から成る試料Ｅ及 びＦのそれぞれ粒径０．５ｍｍの１０個のペブルが、以下に記述する圧力テスト に供された。

各試料はその溶融物から直接生産された。この目的のため、従来技術から公知の 材料成分から成る化合物（例えば、Ｌ　ｉ　ｗ　Ｃｏｗ　、　Ｓ　ｉ　Ｏｘ、Ｔ ｅｎｔ）のバッチ混合物が生産され、１３８０℃〜１４００℃で耐食性溶解器内 で溶解された。バッチ混合物を生産するためにはリチウム含有量を導入するのに 有利なように成る量の同位元素’Ｌｉを含有する化合物が選ばれ、それによって 、基本材料中にあるリチウム同位元素６Ｌｉの含有量が高いので材料の溶融挙動 と構成に何ら影響し得ないようにすることができる。しかしながら、　６Ｌ１の 含有量が慣用的な標準的な含有量に相当するリチウム化合物を選ぶことも可能で ある。ペブルの生産は、米国特許明細書筒３，２９４，５１．１号（その開示内 容はここに引用する）に記載された方法に従い噴出されたガラス流れのアトマイ ズ化により行われる。

それにより、噴出された液状溶融物の流れは、少なくとも１３７０’Ｃ〜１４０ ０℃の温度で、１〜５ｍｍの直径を有している。上に引用した刊行物と対照的に 、冷却圧縮空気流が溶融物の流れを霧状にするのに使われる。その圧縮空気流の 速度は漏出点において５０ｍ／ｓがら３００ｍ／Ｓの間にある。噴霧室内は３０ ℃から５００℃の間の温度である０表中で明示されている異なる材料組成が、相 当するバッチ混合組成物により得られた。

以下に述べるＡからＦまでの試料が、上に明示された温度で原材料バッチ混合物 として溶解され、こうして得られた溶融物は、次に前述のアトマイズ処理に付さ れた。

参考試料Ａ及びＢは純粋なオルトケイ酸リチウムから成り、参考試料Ｃ及びＤは １００重量部当り２．２重量部のＳ　ｉ　Ｏｘをさらに含んだオルトケイ酸リチ ウムから成っていた。

本発明に係る試料Ｅ及びＦは、１００重量部当り２．２重量部のＳｉＯ□と０． ５重量部のＴｅをさらに含んだオルトケイ酸リチウムから成っていた。

これらの試料は、未処理状態（試料Ａ、Ｃ，Ｅ）と、回転管型炉内での調質後（ 試１４Ｂ、Ｄ、Ｆ）の両状態で圧力テストされた。

粒子の機械的安定性が、この目的のために特別に組み立てられた図１に示す装置 を用いてテストされた。その装置により、オルトケイ酸リチウムのペブルは、微 量天秤の秤量容器の上に載せられた支持体に対してピストンにより圧縮される。

テスト中、ペブルに付加された実際の重さをその微量天秤が示す。ピストンが取 りつけられている容器内に水を供給することにより、ペブルにかかる圧力は、ペ ブルが破壊するまで除々に上昇する。

この破壊荷重は、ペブルの機械的安定性の尺度となる。

圧力テストの結果が表１に示されている。表１から、本発明に係る組成のペブル は、調質を行わなくても機械的性質の変化が著しく減少し、驚（べきことには破 壊荷重が３０％まで増大したことがわかる。

三重水素を得るための増殖材料としての粒子の適性をテストするために、融合炉 のブランケット中での熱的、機械的歪をシミュレートした、所謂熱サイクルテス トを粒子床に対して行った。そのために、粒子は振動下での密充填により容器中 に充填される。その容器は２つの熱電対素子を有し、そのうちの１つは、ペブル 床の中心に、もう一つは容器の壁に配置される（図２）。容器は、テスト中、そ の壁の温度が６００℃に達するまで誘導加熱される。この温度は、粒子床の中心 が５３０〜６００℃の間の値に達するまで保たれる。次いで、容器は水で冷却さ れ、それで容器内の温度は１００℃以下に下がる。その瞬間、この粒子床は最も 高い機械的、熱的歪を受ける。なぜなら粒子床の中心温度は、それでもなお、は ぼ５００℃であるからだ。テストは、まず図２に示す容器を用いて手動により１ ０回繰り返して行われ、その後、がなり多数の繰り返しを可能にする自動装置（ 図３）で続けられる。テスト中の典型的な温度曲線が図４に示されている。

熱サイクルテストの結果を、表２に示す。この表がら、本発明に係る球状粒子は 、ブランケットドラム内の反応器の熱サイクルの間の機械的、熱的歪に対し、当 初の状態においても、また回転管型炉内での調質後でも、従来技術に基づ（粒子 よりも耐性のあることがわかり、特に当初の状態においてば５ｉｎ２を含有する 参考試料に比べ改良の割合が著しい。

粒子からの三重水素の放出は、０．５重量％のＴｅの添加に影響されなかったと いうことが、中性子照射により証明された。

個々のペブル（直径０．５ｍｍ）が砕けたときの荷重（Ｎ）と破壊荷重ＦＬ（Ｎ ）（１０回の測定の平均値） （それぞれ、純粋なオルトケイ酸リチウムから成るペブルとオルトケイ酸すチウ ム＋添加剤から成るペブル） Ａ　純　、Ｏ２，７２，７２，７２，７３，５３，９Ｂ　純　、ｄ　１．６　５ ．４　３．６　２．５　０．６　０．２Ｃ＋ＳｉＯｘ、　ｏ　３．５　５．７　 １１．　１１　６．２　５．０Ｄ＋５ｉＯｚ、　ｄ　７．０　４．８　８．５　 ９．８　６．９　１０Ｅ＋ＳｉＯ２，Ｔｅ、ｏ　１２　１３　７．０　６．０　 ８．０　１２Ｆ＋ＳｉＯ□、Ｔｅ、ｄ　５．０　１１　９．５　１２　１０　１ ０Ａ　純　＋０　２．５　１．８　３．３　３．６　２．９Ｂ　純　、ｄ　３． ０　３．２　４．３　３．８　２．８Ｃ＋ＳｉＯ，、ｏ　３．４　１２　５．４ 　９．０　？、２Ｄ＋５ｉＯｚ、ｄ　６．３　９．０　７．０　７．９　７．７ Ｅ＋ＳｉＯ，、Ｔｅ、ｏ　１３　１１　１１　１３　１０．６Ｆ＋ＳｉＯ，、Ｔ ｅ、ｄ　１０　８．９　１１　１１　９．８０＝当初の形態（製造されたときの まま）ｄ＝回転管型炉内で調質されたもの ５ｉｎ２の添加＝２．２重量％、Ｔｅの添加＝０．５重量％試料Ａ−Ｄ：従来技 術によるもの、−試料Ｅ及びＦ二本発明によるもの。

艮ヱ 直径が０．４５〜０．５６ｍｍのペブルを用いたときのブランケット中における 機械的、熱的張カシミュレーシぢン（熱サイクルテスト）の結果材　料　組　成 　破壊％　微小部分％＊８６／ｉ　ｏ　（Ｖ）　＋２．２重量％Ｓｔｏｗ　１１ 　０．０２８６／ｌ　ａ（Ｖ）　同上　２　０．０２８９／ｉ　ｏ　（Ｖ）　Ｌ ｉ４Ｓｉｎ、　６　０．１２８９／Ｌ　ａ（Ｖ）　同上　１０　０．０５９０／ １　０　（Ｖ）　＋２．２重量％Ｓｉｎｇ　６．０　＊＊９０／１　ｄ　（Ｖ） 　＋２．２重量％ＳｉＯお　１．４　＊＊９０１５　０　（Ｅ）　＋２．２重量 ％Ｓｔｏｗ　４．２　＊＊＋０．５重量％Ｔｅ ９０１５　ｄ　（Ｅ）　同上　１．２　＊＊＊粒径＜０．０５ｍｍ　＊＊無視し 得る割合０＝製造されたままのもの ｄ＝回転管型炉で調質されたもの ａ＝固定炉内で調質されたもの ■＝比較例 Ｅ＝本発明によるもの 参考試料８６／ｌと９０／１に対するテスト結果の相異は、従来技術と比べて改 善された本発明による生産技術に起因する。

表２で示されるように、過剰なＳ　ｉ、　Ｏｘを含まない参考試料（８９／１） では、調質は結晶形成が高められたことにより機械的性質が低下するという結果 になった。

図１：ペブルの破壊荷重試験用装置 図２：増殖材料ペブルの手動熱サイクル用装置炉６０００Ｃ水浴２００Ｃ 図３：増殖材料ペブルの自動熱サイビル用装置時間　（分） 図５　：　Ｌ　１ｏ−３ｉｏ、の状態図の一部国際調査報告 １、。２．。、、　ＰＣＴ／ＥＰ　９３１００６７１フロントページの続き （７２）発明者　シューマッヘル、ゲスタフドイツ連邦共和国、　カールスルー エ ２１、オーベルフェルトシュトラーセ　２４（７２）発明者　ガイレル、フォル クマールドイツ連邦共和国、　マイシン　２１、ゼルトリウスリング　２３９ （７２）発明者　クレメント、マルク ドイツ連邦共和国、　マイシン、ゾンメルリングシュトラーセ　１９ （７２）発明者　シュバイト、プルクハルトドイツ連邦共和国、　マイシン　２ １、プリニウスヴエーク　２０

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．添加剤として５重量％以下のテルル及び／又はテルル化合物を含有すること を特徴とする改良された機械的性質及び表面品質を有する実質的に球状のケイ酸 リチウム粒子。
2. ２．５重量％以下のアルミニウム及び／又はアルミニウム化合物及び／又はケイ 素及び／又はケイ素化合物をさらに含有することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の粒子。
3. ３．０．５重最％のテルル及び／又はテルル化合物を含有することを特徴とする 請求の範囲第１項又は第２項に記載の粒子。
4. ４．２．２重量％のＳｉＯ２をさらに含有することを特徴とする請求の範囲第３ 項に記載の粒子。
5. ５．ケイ酸リチウムとしてオルトケイ酸リチウムが好適に用いられることを特徴 とする請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか一項に記載の粒子。