鋰陶瓷增殖劑Li4SiO4表面釋氚行為研究.pdf

1、氘氚聚變能是解決未來人類能源問題的重要途徑之一。核聚變學科涉及很多科學、工程技術和材料問題，其中氚自持是氘氚聚變堆的核心問題之一。由于氚在自然界中僅痕量存在，聚變堆中除了運行初期必須向聚變堆環(huán)形真空室提供預留的氘氚氣體外，穩(wěn)態(tài)運行后，聚變堆所需的燃料氚必須由聚變高能中子通過鈹、鉛等材料倍增后輻照含有鋰物質構成的包層材料來產生。掌握含鋰增殖劑的釋氚行為及機理是設計氚提取回路并實現(xiàn)氚自持的研究基礎，也是研究難點?；诖?，本文對我國聚變堆固體

2、鋰陶瓷增殖劑的主要候選材料Li4SiO4的釋氚行為展開了研究，重點研究晶粒表面反應對Li4SiO4釋氚行為的影響。
　　本文通過離線釋氚實驗研究了晶粒表面吸附/解吸反應以及同位素交換反應對Li4SiO4釋氚行為的影響，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析了各表面反應同時存在情況下的競爭機制及優(yōu)先反應類型。在此基礎上分析并解釋了文獻中數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差異的原因，為氚提取回路的設計提供了實驗基礎和理論依據(jù)。由于載氣流速和升溫速率會影響釋氚溫度，因此如無特殊

3、說明，本文的實驗數(shù)據(jù)都是在載氣流速為50mL/min，升溫速率為5℃/min條件下獲得的。主要結論如下:
　　(1)對于Li4SiO4來說，除了少量自由氚氣之外，氚擴散至晶粒表面后主要以-OT形式存在。既可以通過-OT/-OH的再結合/解吸反應釋放氚水（410℃以下），也可以通過O-T鍵的斷裂后形成的T離子的再結合反應釋放氚氣（563℃和722℃）。前者釋放溫度低于后者。樣品自身釋放氚氣的實驗現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)完善了鋰陶瓷增殖劑表面釋氚過

4、程的認識。此類實驗研究在文獻中鮮有報道。樣品自身釋放氚氣的實驗現(xiàn)象僅出現(xiàn)在表面“干燥”的樣品。Li4SiO4樣品吸水后，表面上H2O/-OH濃度增加，使得氚水解吸反應優(yōu)于氚氣解吸反應發(fā)生，因而降低了釋氚溫度以及氚氣釋放比例。
　　(2)Li4SiO4是吸水能力較強的鋰陶瓷增殖劑，存在多個吸附H2O/-OH的位點，根據(jù)樣品預處理條件以及存放條件的不同，表面既有物理吸附水，也有化學吸附水。物理吸附水通過H2O同位素交換反應影響釋氚溫度

5、，化學吸附水通過-OH/-OT再結合/解吸反應影響釋氚行為。Li4SiO4表面存在多個H2O/-OH的位點導致出現(xiàn)多個氚水解吸峰，隨Li4SiO4表面吸附水分的不同而不同。本文對Li4SiO4釋氚表面反應動力學研究表明，Li4SiO4表面的氚水解吸反應為二級反應，每種解吸位點對應著不同的活化能。對釋氚實驗中各釋氚峰溫對應的活化能進行了計算。
　　(3)載氣中H2主要通過H2同位素交換反應和H2在Li4SiO4表面生成水的反應影響鋰

6、陶瓷增殖劑的釋氚化學形態(tài)和溫度。H2同位素交換反應僅在400℃以上出現(xiàn)，但仍然低于通過T2/HT再結合/解吸反應釋放氚氣的溫度（563℃和722℃），因此載氣中加H2可降低氚氣釋放溫度。H2在Li4SiO4表面生成水的反應峰值溫度出現(xiàn)在668℃。
　　(4)Li4SiO4樣品表面上吸附水分導致的氚水解吸反應以及載氣中加H2后的氫同位素交換反應對鋰陶瓷增殖劑釋氚的影響存在競爭機制。前者（反應溫度在410℃以下）優(yōu)于后者（反應溫度在4

7、40℃以上）進行。因此Li4SiO4樣品吸水后，載氣中加H2對釋氚化學形態(tài)的影響顯著降低。相關機理解釋在文獻中鮮有報道。這一認識對于氚提取回路的設計十分重要。
　　本文首次較為深入地研究了樣品吸附水分對Li4SiO4釋氚行為影響及其與載氣中H2效應競爭反應機制。在此基礎上歸納了不同表面條件下的釋氚行為特征，計算了表面釋氚動力學參數(shù)。研究結果表明，表面反應對釋氚結果影響較大。本文的研究為解釋文獻中鋰陶瓷增殖劑釋氚行為不同的現(xiàn)象提供了