核聚变堆用氚增殖剂材料及其制备技术的研究进展与发展趋势

王昊¹，李广忠¹，葛渊¹，刘波²，林黎蔚²，杨保军¹，李亚宁¹，荆鹏¹

1. 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室2. 四川大学原子核科学技术研究所辐射物理与技术教育部重点实验室

摘 要：核聚变能是清洁安全的理想能源,是最终可能解决人类能源问题的途径之一。氚是核聚变的关键原料,自然界中存在稀少,如何利用氘-氚聚变反应产生的中子与含有锂的氚增殖剂材料发生核反应制备氚并使之自持是目前聚变工程堆尚待验证的核心关键技术,且是三大难题之一。常用氚增殖剂材料包括液态含锂金属与固态含锂陶瓷,目前示范堆型设计主要考虑选用固态陶瓷增殖剂,包括硅酸锂（Li₄SiO₄）、钛酸锂（Li₂TiO₃）、锆酸锂（Li₂ZrO₃）、氧化锂（Li₂O）等,并将增殖剂包层设计为球床结构。欧盟氦冷球床包层（HCPB）和中国氦冷固态包层（HCSB）中均选用Li₄SiO₄小球为增殖剂材料。根据以往设计经验,中国聚变工程实验堆（CFETR）也优先考虑硅酸锂小球作为氚增殖剂材料。本文总结了传统氚增殖剂的制备技术,包括锂同位素分离技术、小球成型工艺技术和成型过程中相纯度控制。分析对比了国内、国外氚增殖剂的常用方法的差异与优劣。通过比较发现传统制备技术获得的氚增殖剂小球的性能差异不大,且随着对氚增殖剂材料研究的推进,性能要求愈发严苛,不仅需要满足聚变堆内服役力学性能、产氚性能的要求,还应注重氚释放性能与安全性。传统球床结构目前存在诸如装载密度较低、小球易破碎堵塞提氚通道等缺陷,甚至会危及聚变堆安全,故需要开发结构和性能更优的新一代先进的增殖剂材料。本文综述了传统氚增殖剂材料制备技术,同时指出需要开发新型增殖剂材料的理由。重点阐述了新型一体成型多孔氚增殖剂的综合性能优势,并对新型一体成型多孔氚增殖剂材料研究进行了展望。

关键词：聚变堆材料;氚自持;固态氚增殖剂;一体成型多孔结构;