[发明专利]一种碳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颗粒与碳源气体；(3)气固分离后得到C包覆Li₄SiO₄氚增殖剂。所述制备装置系统包括料仓、流化床包覆装置、尾气处理装置与产品收集装置。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

随着世界能源需求的不断增长，地球上化石能源的消耗速率不断加快，大约仅供人类再使用两三百年，由此还带来了一系列日益突出的环境问题。核聚变能在能源储量和清洁环保方面具有明显的优势，是人类彻底解决能源问题最有希望的途径之一。然而，核聚变所需的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。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。

随着研究不断深入，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。

CN108550404A公开了一种流态氚增殖陶瓷复合材料，所述流态氚增殖陶瓷复合材料由液固两相混合而成，既可消除现有的液态金属或熔盐氚增殖剂的磁流体动力学阻力效应和对包层结构材料的腐蚀作用，又可消除氚释出效率低、传热性低、易碎以及锂挥发造成载气通路堵塞等问题。然而所述发明成本较高，较难实现规模化批量生产，也无法从根本上避免氚增殖剂与包层材料之间的元素扩散，长期使用依旧存在包层材料腐蚀的问题。

CN110725006A公开了一种厘米级针状固态氚增殖剂钛酸锂单晶的制备方法，所述发明利用简单的助熔剂法制备厘米级针状Li₂TiO₃单晶的固态氚增殖剂，通过精确控制投料比例及降温速率，确保了Li与Ti的元素比例，促进了大尺寸晶体的生成。最终得到的Li₂TiO₃单晶尺寸达到厘米级，结晶程度高，缺陷少，解决了现有粉末Li₂TiO₃难以研究氚在晶粒内的扩散迁移过程及Li₂TiO₃单晶尺寸较小难以表征的问题。然而所述固态氚增殖剂在使用过程中与包层材料直接接触，影响了氚增殖剂的稳定性。