[发明专利]一种高温熔盐同步辐射原位研究装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种辐射原位研究装置，尤其涉及一种同步辐射原位研究装置。

背景技术

随着经济快速发展，能源消费与需求也日益增长。大力发展核能是解决高能耗的最为有效的途径之一。基于钍铀燃料循环的钍基核能系统具有资源丰富、核废料少、利于核不扩散、适应性好等优点，是六种第四代核反应堆的其中之一，也是当前国际上核能科学技术领域的前沿方向之一。与其他五种使用固体燃料棒作为燃料的第四代核反应堆不同，它使用高温液体熔融盐作为燃料。由于其燃料具有流动性，因此不需要使用冷却水或者液态金属作为燃料冷却剂来与固体燃料棒进行热量交换，液体燃料可直接进入热交换器中进行热量交换。熔盐堆的燃料主要成分为裂变燃料和可增殖燃料的氟化物熔盐，有如下种类：UF₄，PuF₃，ThF₄。另外，氟化物熔盐中还包含诸如NaF、ZrF₄、LiF和BeF₂等成分用于改善熔盐的物理化学性质(例如熔点、沸点、流动性、热传导性、热稳定性及化学腐蚀性)以及中子慢化和吸收特性。此外，氟盐还可在核废料的高温化学处理、高温反应堆的冷却和高温反应堆至制氢工厂的传热中发挥至关重要的作用。

混合氟盐工作在650-1000℃的高温段，在强辐射环境下服役，其成分和结构对其热效率、诸多的物理化学性质、中子慢化和吸收特性以及对容器的腐蚀性均具有重要影响。为此，我们需要一些强大的原位测试手段对其进行表征。第三代同步辐射光源可提供高品质的X射线，为熔盐材料的研究提供了优越的实验平台，例如X射线精细结构吸收谱(X-ray Absorption Fine Structure，简称：XAFS)用于研究熔盐混合物中离子种类和结构的表征(f电子与化合价态；局部结构，包括配位数、键长、键角和离子间距等；成分、温度和氧化态对熔盐性质的影响等)；X射线衍射用于结构表征；X射线小角散射(Small-Angle X-ray Scattering，简称：SAXS)用于表征高温熔体的网络结构、熔体中结晶团粒结构粒度和形状及其演化等；高能X射线散射可用于裂变盐配位环境研究等。高温熔盐同步辐射原位研究装置为上述这些测试手段提供了一个可靠的平台，其可以利用XAFS、X射线小角散射和衍射、非弹性散射等方法原位获取熔盐中离子种类、化学价态和结构等信息，在理解不同组分的熔盐物理化学性质变化、结构材料在熔盐中的腐蚀机制、燃料盐及其裂变产物的价态控制和溶解以及熔盐的净化与再生工艺流程优化等方面发挥不可替代的基础性作用。

高温熔盐同步辐射原位研究装置同样适用于除了氟盐以外的，同族的氯化盐、溴化盐和碘化盐以及碳酸盐和硅酸盐等高温熔体的研究，包括地球化学学科中的水热流体中金属的种类形成和矿物溶解度，矿床研究和勘查及地热系统研究，以及化学工程系统(如，金属熔盐电解冶炼和精炼，湿法冶金，以熔盐为电解质的燃料电池和蓄电池等)、生物环境研究等。例如，获得水热流体中金属复合物的化学计量和稳定性信息有助于理解水热系统中金属的溶解、传输和沉淀过程。

但是，目前高温熔盐原位测试面临着一些挑战，其包括工作温度高达1000℃高温、强烈的熔盐腐蚀、吸湿和熔体挥发等，因此必须要求高温熔盐同步辐射原位研究装置具有为防止蒸发和与周围空气反应所需的高气密性，以及其加热系统与周边实验装置的兼容性。

该装置的研制碰到的第一个困难就是耐高温熔盐腐蚀材料的选择：以熔融的氟化盐为代表的高温熔盐具有强烈的腐蚀性，所有氟化盐在高温下极易和氧反应，因此在与之直接接触的材料中应避免氧化物的存在。由于这个原因，将熔融的氟化盐推广应用于工业是困难的。但根据使用氟化盐的经验积累，镍基合金，难熔金属，玻碳(玻璃态石墨)，氮化硼和无氧陶瓷等(例如，SiC和AlN)被认为对熔融的氟化盐具有足够的稳定性。综合考虑耐熔盐腐蚀性和透光度，氮化硼为一个较好的选择。另外，玻碳在做SAXS和低角度衍射时具有低衍射干扰信号的优势，但是其价格比热解氮化硼贵许多。