一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂，采用三层核壳式结构的复合球体设计：Pb

A lead based neutron multiplier for solid cladding of fusion reactor

【技术实现步骤摘要】
一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂


[0001]本专利技术属于核聚变科学领域，具体涉及一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂。

技术介绍

[0002]聚变能源具有资源丰富和近无污染的优点，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济社会的可持续发展具有重要的战略意义，是关系长远发展的基础前沿领域。
[0003]目前基于托卡马克装置的磁约束核聚变研究较为广泛且进展迅速。国际合作项目“国际热核聚变实验堆”(ITER)已进入建设阶段，我国作为项目成员国在磁约束核聚变能发展技术路线中，计划在2030～2040年建成并运行中国聚变工程实验堆CFETR，填补国际热核聚变实验堆(ITER)和聚变示范堆(DEMO)之间的空白。
[0004]聚变堆实现运行发电的基本前提为氚自持，实现氚自持一直是聚变领域研究热点问题之一。通过聚变中子与含6Li的氚增殖剂反应产氚是目前的主要手段，即6Li(n,T)核反应产氚。为尽量提高氚增殖率，需加入中子倍增剂来提高中子通量。目前聚变堆固态包层设计中选用的中子倍增剂材料包括纯铍、含铍或含铅的材料，其中纯铍由于中子倍增性能最优而被选为主选方案。但由于铍存在成本高、材料辐照肿胀以及毒性强等缺点，国际上也在积极寻求铍替代材料与方案。高熔点铅基材料作为替代铍的候选材料面临的主要问题是中子倍增率无法满足氚增殖比需求。本专利技术提出一种新型的铅基中子倍增剂设计，提升了中子利用与综合产氚，为CFETR及未来聚变堆提供了中子倍增剂铍替代方案。
专利技术内容
[0005]本专利技术的目的是提供一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂，解决铍作为中子倍增剂的高成本、毒性强以及化学活性等问题。为提高铅基材料作为中子倍增剂的氚增殖比，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂，其采用三层核壳式球形结构，包括Pb
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M
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球心、Pb
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M
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‑
Li2O金属陶瓷中间层和Pb
x
M
y
外壳层；其中，所述Pb
x
M
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球心为铅基金属间化合物Pb
x
M
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，其中，M为La、Ce、Zr、Pr、Nb、Nd或S，x和y的取值由M决定；所述Pb
x
M
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‑
Li2O金属陶瓷中间层为Pb
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‑
Li2O金属陶瓷复合材料；所述Pb
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M
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外壳层为Pb
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M
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膜；其中，所述Pb
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M
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球心为中子倍增区，所述Pb
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M
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‑
Li2O金属陶瓷中间层作为额外产氚区；所述Pb
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M
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外壳层为微米量级的薄膜层，有利于Li同位素产氚反应中的氚释放，致密的所述Pb
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M
y
外壳层隔绝Li2O与空气中的水和二氧化碳的化学反应。
[0007]进一步地，所述Pb
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‑
Li2O金属陶瓷中间层具有与所述Pb
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球心和Pb
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外壳层的Pb
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金属界面间较好的热力学匹配，防止壳层之间由于热应力而引发的开裂情况，形成结构稳定的核壳式球形结构。
[0008]进一步地，选取并通过中子学计算优化Li2O含量从而提高产氚率。
[0009]本专利技术与现有技术相比具有的优势如下：
[0010]1)目前铍或含铍材料的中子倍增剂具有成本高、辐照肿胀、毒性强以及与水产生化学反应等缺点，本专利技术采用铅基材料对解决上述问题具有显著优势，因此为替代铍的中子倍增剂材料提供了有效解决方案。
[0011]2)传统的固态铅基材料作为中子倍增剂的中子倍增率无法实现氚增殖要求，本专利技术采用添加Li2O的三层核壳式结构设计，通过增加中子利用与额外产氚综合提升产氚率的思路实现铅基材料的应用。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂的结构示意图。
[0013]其中：1
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Pb
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M
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球心、2
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Pb
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M
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‑
Li2O金属陶瓷中间层、3
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Pb
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外壳层。
具体实施方式
[0014]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0015]如图1所示，本专利技术提出一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂，其采用三层核壳式球形结构，包括Pb
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球心、Pb
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M
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Li2O金属陶瓷中间层和Pb
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外壳层。所述Pb
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球心1作为中子倍增区为具有高熔点铅的铅基金属间化合物Pb
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M
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，其中，M为La、Ce、Zr、Pr、Nb、Nd或S，x和y的取值由M决定。因此，所述Pb
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M
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包括但不限于LaPb3、CePb3、Zr5Pb4、Zr5Pb3、PrPb3、NbPb3、Nd5Pb4、Nd5Pb3、PbS，具备高熔点特征的同时发挥Pb元素优良的中子倍增能力。所述Pb
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M
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‑
Li2O金属陶瓷中间层2为产氚区，同时Li2O慢化中子进一步提高与6Li的产氚量。所述Pb
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外壳层3为微米量级的薄膜层，有利于Li同位素产氚反应中的氚释放，致密的所述Pb
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M
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外壳层3隔绝了Li2O与空气中水、二氧化碳等成分化学反应。
[0016]所述Pb
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M
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‑
Li2O金属陶瓷中间层2为含Pb
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的Li2O基金属陶瓷复合材料，与所述Pb
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球心1和Pb
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外壳层3的Pb
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金属界面具有较好的热力学匹配，具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于聚变堆固态包层的铅基中子倍增剂，其特征在于：采用三层核壳式球形结构，包括Pb
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球心、Pb
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Li2O金属陶瓷中间层和Pb
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外壳层；其中，所述Pb
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球心为铅基金属间化合物Pb
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，其中，M为La、Ce、Zr、Pr、Nb、Nd或S，x和y的取值由M决定；所述Pb
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Li2O金属陶瓷中间层为Pb
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Li2O金属陶瓷复合材料；所述Pb
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M
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外壳层为Pb
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膜；其中，所述Pb
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球心为中子倍...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，丁文艺，刘静，姜志忠，肖尊奇，郑明杰，罗林，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：