[发明专利]一种氮化钛包覆正硅酸锂氚增殖剂及其制备方法与制备装置系统

说明书

本发明提供一种TiN包覆Li₄SiO₄氚增殖剂及其制备方法与制备装置系统，所述制备方法包括以下步骤：(1)使Li₄SiO₄颗粒在保护气氛中处于流化状态；(2)在步骤(1)持续进行的基础上，混合Li₄SiO₄颗粒、钛源气体与氮源气体；(3)气固分离后得到TiN包覆Li₄SiO₄氚增殖剂。所述装置系统包括料仓、流化床包覆装置、钛源气化装置、产品收集装置与尾气处理装置。本发明克服了Li₄SiO₄对包层材料的腐蚀，同时提升了锂基陶瓷氚增殖剂在He‑H₂/H₂O环境中的稳定性，且制备工艺简单，具备有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于核聚变技术领域，涉及核壳结构先进锂基陶瓷氚增殖剂的制备方法，尤其涉及一种TiN包覆Li₄SiO₄氚增殖剂及其制备方法与制备装置系统。

背景技术

随着环境恶化和能源需求的不断扩大，新能源利用及研发成为当前世界面临的重要课题之一。氘(D)-氚(T)核聚变能(D+T→He+n+17.6MeV)因安全、清洁、高效等优点被认为是解决人类能源危机的重要途径之一。然而，氚燃料在自然界中含量较少，必须通过中子轰击含⁶Li的材料获取氚燃料(¹n+⁶Li→⁴He+3T+4.78MeV)。经过几十年的发展，目前Li₄SiO₄微球因具有Li密度高、氚释放性能好、抗压强度大、防潮性好等优异的特性被选为固态氚增殖包层的候选材料之一。

然而随着研究的不断深入，人们逐渐发现在实际服役环境中，Li₄SiO₄微球会腐蚀包层材料，形成易碎的氧化物腐蚀层，恶化了包层结构材料的力学性能，尤其在He-H₂清扫气氛中，这种腐蚀现象更加明显，对核反应堆的长期稳定运行造成较大安全隐患。

基于此，日本原子能机构设计出具有Er₂O₃涂层的RAFM钢(Fusion Eng.Des.87(2012)1777–1787)，通过设计Er₂O₃涂层，在微球与钢基体创造了一个障碍层，阻碍了Li₄SiO₄与钢基体之间的元素扩散与反应，从而提升包层的安全性。但是随着服役时间增加，由于氧化物和RAFM钢基体之间存在较大的热应力，导致涂层容易脱落。

CN108751975A公开了一种聚变堆固态包层中氚增殖陶瓷小球的制备方法，所述制备方法条件温和，沉降过程中同时完成成球和固化两个过程，简化了小球胚体的净化和转移工艺，得到的产物球形度高、粒径均匀、孔隙率和机械强度高，便于工业化生产。然而所述氚增殖陶瓷小球在使用过程中与包层材料直接接触，影响氚增殖剂的稳定性。

CN111217592A公开了一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，首先采用混合溶剂热法制备出粒径均一的前驱体粉体，再配制一定浓度的锂盐溶液，随后球磨得到浆料，并采用湿法成型获得球形陶瓷素坯，最终烧结制备正硅酸锂陶瓷小球。烧结过程中锂熔盐分解形成氧化锂，并最终固溶于正硅酸锂晶格中，不仅不会引入杂质，而且可达到提高锂原子密度的目的。所述发明解决了现有技术中存在的氚增殖陶瓷制备方法难以在较低温度下获得致密度及强度的问题。然而所述发明同样存在正硅酸锂陶瓷小球在使用过程中与包层材料直接接触的问题，容易造成包层材料腐蚀的现象。