[發明專利]一種增殖劑陶瓷小球熔融噴霧造粒裝置及方法

有效

• 申請號: 201711284441.9
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN107824122B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 龔宇;陳曉軍;陳平;趙林杰;王和義;岳磊;冉光明;肖成建;夏修龍;付小龍;侯京偉;陳超
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院核物理與化學研究所
• 主分類號: B01J2/04
• 分類號: B01J2/04
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;韓志英

本發明公開了一種增殖劑陶瓷小球熔融噴霧造粒裝置及方法。該裝置包括爐膛、加壓裝置、壓力管、吹氣腔、滴管、收集器和反向吹氣管。該方法將增殖劑粉體從壓力管加入到爐膛內，利用電磁感應加熱增殖劑粉體至熔融態，通過加壓將增殖劑液體從滴管滴落，形成增殖劑液滴，利用吹散氣將增殖劑液滴吹散成均勻的小液滴，呈錐形向外發散，反向吹氣管吹出的惰性氣體托舉增殖劑液滴，降低增殖劑液滴的下落速度，使得增殖劑液滴充分冷卻，形成增殖劑陶瓷小球。本發明的增殖劑陶瓷小球熔融噴霧造粒裝置及方法可以批量生產聚變堆氚增殖劑材料，為聚變堆提供氚源。

技術領域

本發明屬于氘氚聚變燃料循環領域，具體涉及一種增殖劑陶瓷小球熔融噴霧造粒裝置及方法。

背景技術

隨著人類社會的快速發展，世界能源消耗將持續增長，能源危機與環境危機已成為亟待解決的全球性課題，安全、清潔、可持續的核聚變能作為解決能源危機的終極途徑備受矚目。其中Ｄ－Ｔ聚變難度最低，是最適合核聚變發電中使用的聚變反應。氚是氫的一種放射性同位素，自然界含量極低，因此聚變堆Ｄ－Ｔ燃料循環通常使用Li增殖氚。氚增殖劑一般采用含鋰的材料分液態和固態兩種。固態增殖劑的化學穩定性好，可在更高的溫度下使用而且氚提取容易，這些含鋰材料是常見的實驗包層氚增殖劑的備選材料。

固體氚增殖劑可以采用柱狀、環狀和球狀。球形增殖劑裝卸容易、具有更大的表面積、小球間具有更多的孔道、透氣性能好、有利于氚的擴散和釋放, 所以一般固體氚增殖劑均采用球形。增殖劑陶瓷小球的成型及批量生產主要有熔融噴霧法、溶膠－凝膠法、擠出－成形－燒結工藝、團聚－燒結法、冷凍成形工藝、行星式滾動法、乳液法等。目前從循環回收⁶Li來看，熔融法有著先天的優勢，避免了大量放射性廢物的產生，因此增殖劑陶瓷小球的制備以熔融法為主。目前熔融法制備的小球存在內應力，力學強度略差，小球粒徑分布很寬，符合要求的小球產率不高（50％）等問題。

目前增殖劑熔融噴霧造粒方法主要掌握在德國卡爾斯魯厄理工學院。其主要發展了以下兩種熔融噴霧造粒方法：

第一種、德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）熔融噴霧造粒方法

該種方法主要是通過將增殖劑粉體在爐膛內加熱至熔融態，液體順著底部滴管滴落，滴落液滴由噴氣口噴氣吹散成小球，小球成弧形飛出在收集單元進行收集。滴落口到收集器之間的距離為2米-14米，由該種方法制備的增殖劑陶瓷小球退火后密度可達到90%-96%。

但是，第一種方法具有以下缺點：

1. 第一種方法最大不足在于不能有效控制小球尺寸，滿足要求的小球產率低，浪費嚴重，利用該種方法制備的尺寸在0.25-0.63mm之間的小球只有不到50%。造成這種問題的主要原因在于該種方法熔融后液體滴落速度無法控制，且噴氣口采用單方向噴氣，造成分散后的小球分布不均勻，同時由于噴氣單元外置，高溫液滴遇到低溫吹散氣體造成分散后的小球內應力過大，內部缺陷過多，降低了其力學性能；

2.由于Li鹽具有較強的揮發性，該種方法無法減少Li的揮發，而富⁶Li密度的樣品成本非常高，這也造成了很大的成本消耗；

3.為了讓滴落液滴充分冷卻及充分成球，滴落口到收集器之間的距離為2-14米，這樣高的滴落高度小球滴落過程中與空氣接觸時間過長，會造成高溫熔融的液滴與空氣反應，吸收空氣中水氣與CO2,造成增殖劑材料相純度降低。同時高空滴落的小球由于成拋物線 ，收集困難而且部分小球掉落到收集器內會發生摔裂、破碎的現象。

第二種、德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）改進后的熔融噴霧法制備增殖劑陶瓷小球：

第二種方法和第一種方法相比，滴落口改為0.6mm的小口滴落，取消了噴氣單元，增加了頂端壓力管。通過控制壓力管的壓力及底部滴管的孔徑控制滴落小球的大小，滴落高度2-14m，該種方法制備小球密度在90%-96%。

但是，第二種方法具有以下缺點：