聚变堆用锂基陶瓷氚释放动力学过程分析开题报告

全文总字数：3561字

1. 研究目的与意义（文献综述）

绿色，低碳是当今世界经济发展的主旋律，选择清洁，稳定新能源是未来经济发展的方向。近年来，随着地球化石能源的不断消耗，寻找解决能源问题的方法已刻不容缓，可控核聚变被认为是解决人类能源问题的终极手段之一核聚变以氘-氚为燃料进行的能量释放，反应产物为氦和大量能量，是一种自然友好的能源 。反应中中氘是氢的同位素，海水中每6500个原子中 就有1个氘原子，地球上储量极其丰富。然而氚是另一种氢气的同位素，丰度仅为0.004%。为保证聚变反应的稳定运行，氚的稳定供应是关键的因素。

因此，必须在聚变堆包层中设置氚增殖剂，利用氘氚聚变产生的中子（n）轰击锂（li），实现聚变堆氚的“自持”，即：d t → n he、n li → t he。提高氚增殖比（tbr）是实现等离子体长期安定放电的关键，实现这个功能的结构为包层。它由氚增殖剂，冷却剂，中子倍增剂组成，是一个复合的结构。起到了辐射屏蔽，能量转换，燃料氚增殖的作用。同时也是实现聚变的商业利用的核心载体。锂基材料构成的氚增殖剂是其中的核心。

包层理论上在573–773k的低温工作，但是中子散射与吸收，氚的释放，都是放热核反应，释放高密度热量，球床的中心温度就要高得多。在包层中对增殖剂的要求包括，在有限空间有足够氚释放率的高锂密度材料，在包层中具有机械热力化学的稳定性，低氚吸收，快速的氚扩散，低吸收，辐照下长期稳定，具有大规模生产的可行性。当前，氚增殖剂主要分为液态和固态两种设计思路。液态主要为液态锂和液态锂合金，如lipb共晶合金，flibe。固态增殖剂为锂基陶瓷，当前主要研究的是三元氧化物，如li₂tio₃、li₄sio₄、lialo₂。其中钛酸锂化学稳定性，氚释放性能优异，且具有低活化特性。li₄sio₄是我国聚变包层主要选择的材料，具有低活化，锂密度高的有点，以及易吸水的缺点。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

由于氚（tritium）在自然界中几乎不存在，因此，需要通过聚变堆包层的氚增殖材料实现实验聚变堆氚的自持。为了提高聚变堆的氚增殖率（tbr），必须弄清氚在材料中的产生、迁移和释放的过程。li₂tio₃、li₄sio₄以其相对稳定的物理化学性能成为聚变堆包层的候选固态氚增殖材料，但是，目前对氚释放过程的主要控制性因素仍然不明确。本毕业论文中，基于本研究室前期的氚释放实验数据，主要研究氚在li₂tio₃、li₄sio₄和li₂tio₃-li₄sio₄复合陶瓷内部的迁移过程，从氚释放动力学角度计算li₂tio₃、li₄sio₄和li₂tio₃-li₄sio₄复合陶瓷的氚扩散激活能、脱附能、扩散系数：明确扩散氚从锂原子空位产生到释放过程的关键控制性因素，为材料成分和结构的设计提供理论指导。

2.2 研究目标

3. 研究计划与安排

3.进度安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容和研究背景，熟悉研究所需的理论知识和计算方法。确定方案，完成开题报告。

第4－8周：熟悉陶瓷增殖材料的氚释放研究的基本方法，掌握fick扩散方程等理论分析和计算方法，研究氚在陶瓷晶粒内部的迁移，计算氚在li₂tio₃、li₄sio₄、及复合陶瓷中的扩散激活能、缺陷脱附能、扩散系数；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]郝嘉琨.聚变堆材料[m]. 北京：化学工业出版社, 2007.

[2]赵林杰, 肖成建, 陈晓军, 等. 固态氚增殖剂研究进展[j]. 核化学与放射化学, 2015,37(3): 129-142.