《表1 常用固态增殖剂性质对比[7-8]》

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《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》

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增殖剂材料包括锂的液态金属和固态锂陶瓷两种，其中液态增殖剂存在腐蚀性强、磁流体效应，且存在泄漏风险，故不常使用[1]。固态增殖剂常用含有一定丰度的锂（6Li）陶瓷，如Li2O、Li Al O2、Li2Zr O3、Li2Ti O3、Li4Si O4等[2]。对产氚反应来说，需要Li陶瓷材料有如下特点:（1）高的Li密度；（2）导热性好；（3）高能辐照下的稳定性好；（4）优良的氚释放性能。日本最早提出用氧化锂（Li2O）陶瓷作为固体增殖材料，Li2O的锂密度达到0.94 g/cm3，其单位体积内锂核密度比纯态金属锂高接近一倍，能获取大的氚增殖比（TBR）。但Li2O作为固体增殖剂的突出问题是氚在Li2O中易形成大量氚氧化锂（Li OT）相结构，Li OT相结构在800℃以上高温（远高于氚增值包层结构材料低活性钢的工作温度(<550℃）)才能分解。因此，尽管Li2O在理论上具有极高的TBR，但存在氚无法从Li2O增殖剂小球中释放的问题。另外，Li2O易与水反应，引发堆工安全问题。由于Li Al O2产氚性能较弱，Li2Zr O3中Zr活化严重等，这几种材料逐渐被淘汰。目前，国际、国内氚固体增殖材料的研究焦点基本确定为Li4Si O4和Li2Ti O3，其中以Li4Si O4为首选[3]。Li4Si O4的突出优势在于:（1）它具有目前几种含锂三元氧化物中最高的锂密度（达到0.55 g/cm3），其单位体积内的锂核密度与纯液态金属锂相当；（2）相比其他元素，Si在聚变中子辐照下的放射活性最低，非常吻合低放射活性的目标；（3）从原料成本角度出发，Li4Si O4是由Li2CO3和Si O2固相反应生成，Si O2可以从沙子中提取获得，因此Si原料比Ti丰富，容易获得。但Li4Si O4也存在一些劣势，首先它的熔点为1 255℃，比其他常用固态增殖剂的熔点低（见表1）。考虑到一般陶瓷材料在熔点的40%～50%左右会发生蠕变（即在小应力作用下发生较大的形变），其工作温度有限，但就目前的实验包层模块（TBM）设计结构材料的工作温度限制整体工作温度不高的前提下，Li4Si O4这一劣势并不明显。与Li4Si O4相比，Li2Ti O3的提氚性能、稳定性更好，主要劣势就是相对低的锂密度（0.43g/cm3）。日本水冷陶瓷包层采用Li2Ti O3小球[4]，欧盟氦冷示范堆中球床包层（HCPB）和中国氦冷固态包层实验包层模块（HCSB TBM）均选用Li4Si O4小球作为氚增殖剂材料，并且依据在HCSB TBM中的相关经验，在中国聚变工程实验堆（CFETR）的设计中，也优先考虑Li4Si O4作为氚增殖剂材料[5-6]。