[发明专利]一种C/TiN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C/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，得到TiN包覆Li₄SiO₄颗粒；(3)在步骤(1)持续进行的基础上，混合步骤(2)所得TiN包覆Li₄SiO₄颗粒与碳源气体；(4)气固分离后得到C/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。

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C/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

随着人类社会的快速发展，世界能源消耗将持续增长，能源危机与环境危机已成为亟待解决的全球性课题，安全、清洁、可持续的核聚变能作为解决能源危机的终极途径备受瞩目。其中氘氚聚变难度较低，是最适合核聚变发电中使用的聚变反应。氚是氢的一种放射性同位素，自然界含量极低，因此聚变堆氘氚燃料循环通常使用Li增殖氚。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，最近人们逐渐发现在实际服役环境中，优选出的Li₄SiO₄微球会腐蚀包层材料，如与316不锈钢、IN625钢、低活化铁素体马氏体钢RAFM、欧洲-97号钢或ARAA合金钢反应，形成易碎的Li₅FeO₄，LiCrO₂，LiFeO₂等氧化物腐蚀层，恶化了包层结构材料的力学性能，尤其在He-H₂清扫气氛中，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。

为解决这一问题，日本原子能机构设计出具有Er₂O₃涂层的RAFM钢(FusionEng.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。

CN101510450A公开了一种制备聚变堆包层中陶瓷氚增殖剂的方法，所述方法将可产生自由基聚合反应的有机单体和交联剂与水或者有机溶剂混合溶解制成预混液，然后加入陶瓷氚增殖剂粉料经过消泡处理，再加入引发剂和催化剂制备成料浆，用滴入装置滴入到加热的、与料浆所用溶剂互斥的介质中。液滴进入介质之后，形成小球状，下降的过程中固化保形，收集小球、洗涤、干燥、烧结制成氚增值剂陶瓷小球材料。所述发明成形后坯体的强度高、韧性好；所成小球的球形度高、表面光滑、均匀性好；干燥烧结后收缩较小，球的大小易控制，强度高；成本较低，工艺灵活。然而所述陶瓷氚增殖剂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。