一种核反应堆用的锂铅合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种核反应堆用的锂铅合金及其制备方法。该锂铅合金基体为Pb，Li的质量百分比含量为0.68±0.05％；杂质总含量小于300ppm，单个杂质元素的含量≤5ppm，且不含有经中子辐照后会产生放射性产物的元素。实验表明，本发明锂铅合金材料是融三种功能(中子倍增、氚增殖、冷却)于一体的核反应堆用材料，适用于核工业领域，特别是聚变堆领域。
【专利说明】一种核反应堆用的锂铅合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及液态金属合金材料领域，尤其是涉及一种适用于聚变堆中的氚增殖齐U、冷却剂和中子倍增剂的锂铅合金。
【背景技术】
[0002]聚变能是目前认识到的可以最终解决人类能源危机和环境问题的重要途径之一，是“安全、清洁、永久性”能源。在聚变堆中，包层是核反应堆的重要组成部分，其主要功能是:增殖氚以供燃料循环，把堆芯的中子能量转化为热能形式输出，屏蔽以保护磁体线圈和外围环境。包层技术是决定聚变能应用成败的关键技术。
[0003]在包层结构设计和技术研究时，必须进行氚增殖剂、冷却剂和中子倍增剂的研究与选择。其中能作为氚增殖剂的主要是含锂的材料，包括锂陶瓷、纯锂(Li)或液态金属含锂共晶体材料；能作为冷却剂的材料有液态金属、水和氦气；能作为中子倍增剂的材料有含Be或铅的化合物等。所以，氚增殖剂、冷却剂和中子倍增剂的材料的研究选择对聚变能的利用是至关重要的。
【发明内容】
[0004]本发明提出了一种适用于聚变堆中的氚增殖剂、冷却剂和中子倍增剂的锂铅合金材料，其具有很好的中子倍增能力、高的氚增殖能力、高的导热和载热能力，预计能满足作为聚变堆中的氚增殖剂、冷却剂和中子倍增剂的使用要求。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]一种核反应堆用的锂铅合金，基体为Pb，Li的质量百分比含量为0.68±0.05% ；杂质总含量小于300ppm，单个杂质元素的含量彡5ppm，且不含有经中子辐照后会产生放射性产物的元素。
[0007]上述锂铅合金中，所述的杂质元素的可以是Fe、Mn、Al等元素，但不含有N、N1、Mo、Nb、Co、Cu等经中子辐照后易产生放射性产物的元素。
[0008]上述锂铅合金中，Li的质量百分比含量优选为0.68±0.02%。
[0009]上述核反应堆用的锂铅合金的制备方法如下:
[0010]I)在高纯氩气环境中，按Pb和Li的设计成分进行配料，将粒度为150?250目的Pb粉和Li粉分别装入各自的进料斗，先将一部分Pb粉装入搅拌池，启动机械搅拌，然后Li粉和Pb粉通过各自的进料斗口进入搅拌池混合均匀；
[0011]2)在高纯氩气环境中，将混合好的Pb粉和Li粉分批加入熔炼炉中加热融化，同时进行连续的电磁搅拌，Li与Pb合金化并放出大量热量，加料熔化吸热，控制温度不超过470°C，维持搅拌15?25分钟，随后在400?450°C下将熔体静置I?3小时；
[0012]3)在高纯氩气环境中，将400?450°C的锂铅合金通过过滤网进行过滤，滤除高熔点的Li和Pb化合物；
[0013]4)将步骤3)过滤后的锂铅合金在270?320°C下真空熔铸，获得合金铸锭。
[0014]进一步的，在步骤2)在线检测合金的Li和Pb成分，并依据检测结果返回步骤I)微调Li和Pb的配料比，将Li粉和Pb粉混合均匀后接着进行步骤2)，待成分检测合格后进入步骤3)。
[0015]进一步的，步骤4)使用独特的铸造模具进行真空熔铸，该独特的铸造模具是将模具设置在一个圆柱形空腔的中心，且在垂直于圆柱形空腔的轴线方向上有一水平轴，使得整个铸造模具能绕该水平轴作缓慢的转动，当液态锂铅合金注入铸造模具后，液态锂铅合金一边随铸造模具缓慢地绕该水平轴转动，一边冷却成型，这样减少锂元素的重力偏析现象，进一步保证锂含量的均匀性，获得符合要求的合金铸锭。
[0016]上述制备方法中，所述高纯氩气为99.99% -99.999%氩气经除水、除氧等杂质处理后的氩气。
[0017]制备上述合金配方所使用的原料Li和Pb必须是高纯锂和高纯铅，其杂质不含有N、N1、Mo、Nb、Co、Cu等经中子辐照后易产生放射性产物的元素。即Li和Pb中的单个杂质元素的含量< 5ppm，杂质总含量小于300ppm。否则，从原料中不可避免带来杂质成分，这些杂质成分以不可避免的量和成份存在时将影响锂铅合金的纯度，也将直接影响聚变堆包层运行过程中核燃料氚的生产及提取，而严格控制锂铅合金中杂质的含量不仅可以减少氚在包层中的滞留量，便于氚的提取，同时还可避免包层运行过程中产生的杂质沉积，尤其强中子辐照可能会导致长寿命放射性核素的产生，因此要求对合金中易活化元素的含量进行严格限制，也对合金中总杂质含量进行严格的界定与控制。
[0018]本发明与现有技术相比具有以下优点:本发明对已有锂铅合金配方进行优化设计，使得在Li含量较小时，熔点较低，沸点高，在具有明显的安全优势情况下，仍然具有优异的氚增殖性能。具体体现在以下几方面:
[0019]I)本发明提供的锂铅合金，熔点235°C，液态锂铅合金可以流动，温度上升空间大，这样的温度空间可用现有的金属材料(奥氏体钢、铁素体钢、马氏体不锈钢、钒合金等)作为核反应堆结构材料。实验研究表明，液态金属锂铅与奥氏体钢、铁素体钢/马氏体不锈钢、钒合金的最大兼容温度分别为400°C、480°C和650°C。
[0020]2)本发明提供的锂铅合金中铅Pb的含量很大(99.3wt% ),由于Pb (η, 2η)反应，其中子倍增能力相对比较强，铅是有效的中子增殖材料，对辐照损伤具有很高的免疫力，无需再在使用高成本的中子增殖剂(如Be)，是高的氚增殖能力必要条件之一。并且，Pb的中子屏蔽特性也非常好。
[0021]3)本发明提供的锂铅合金中锂是很好氚增殖材料，中子与锂反应生成氚，6Li同位素地球上资源丰富。液态锂铅合金可以流动，可实时在线补充消耗掉的6Li同位素，是一种无寿命限制的增殖材料；也是高的氚增殖能力必要条件之一。并且增殖剂本身也是氚循环载体，加之氚在其中的溶解度很低，可以在堆外实时在线提氚。
[0022]4)本发明提供的锂铅合金具有好的导热和载热能力，是很好的冷却剂，允许设计高功率密度、高热效率包层系统。液态锂铅合金流动，把热量带至堆外实时在线取热发电。
[0023]5)本发明提供的锂铅合金与水和空气没有爆炸性的反应，安全性高。
[0024]6)本发明提供的液态锂铅合金对托卡马克复杂几何具有很好的适应性。
[0025]因此，本发明提供的液态锂铅合金是融三种功能(中子倍增、氚增殖、冷却)于一体的核反应堆用材料，适用于核工业领域，特别是聚变堆领域。
【具体实施方式】
[0026]以下通过【具体实施方式】对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
[0027]实施例一
[0028]根据下述步骤制备锂铅合金:
[0029](I)氩气(99.999% )使用前必须进行除水、除氧等杂质的处理。以下过程都是在高纯氩气环境中进行的。
[0030](2)采用高纯锂和高纯铅(其杂质不含有N、N1、Mo、Nb、Co、Cu等经中子辐照后易产生放射性产物的元素；杂质总含量小于300ppm，单个杂质元素的含量彡5ppm)为原料，在高纯氩气环境中分别将原料Pb和Li加工成粉末状，粒度:Pb为250目、Li为250目。
[0031 ] (3) Pb粉和Li粉均匀混合:按照设计成分进行配料，Pb粉和Li粉分别装入各自的进料斗；进入搅拌池进行机械搅拌时，Pb粉先进入一部分，启动机械搅拌机搅拌，然后Li粉和Pb粉通过各自的进料斗口进入搅拌池混合，搅拌20分钟，让Li粉和Pb粉充分接触混合均匀。
[0032](4)清洗熔炼炉和铸模:将熔炼炉加热到400°C，抽真空至1.5Pa，保持5分钟，充入0.1MPa高纯氩气，保持4分钟；再抽真空至IPa，保持3分钟，充入0.1MPa高纯氩气，保持4分钟；重复2次，清除熔炼炉内、熔炼炉内表面及熔炼炉内表面层废气。将铸模加热到450°C，保持30分钟，烘烤清除铸模内、铸模内表面及铸模内表面层废气。
[0033](5) Li与Pb合金化:将混合均匀的锂铅粉分批进入熔炼炉，加热熔化，同时对熔体进行连续电磁搅拌；Li与Pb合金化成锂铅合金，并放出大量的热量，加料熔化吸热，观察温度的变化，控制温度不超过470°C，维持搅拌20分钟，随后在400°C下将熔体静置3小时。
[0034](6)在线检测Li和Pb成分并依据检测结果返回到步骤(3)微调Li和Pb的配料t匕，待熔炼合金成分合格后，将400°C锂铅合金通过过滤网进行过滤，滤除高熔点的Li和Pb化合物，杂质含量小于290ppm。
[0035](7)真空熔铸，当270°C液态锂铅合金注入独特铸造模具后，液态锂铅合金一边随铸造模具缓慢地绕该水平轴转动，一边冷却成型，这样可减少锂元素的重力偏析现象，进一步保证锂含量的均匀性，获得符合要求的合金铸锭。
[0036]试验测试:该锂铅合金熔点235 °C，在300°C下测试，该液态锂铅合金密度为9500kg/m3,比热容为190J/ (kg.K)，热传导率为15w/ (m.K)，传热系数为100w/ (m2.K)，粘滞系数为 0.188 (10?1)，电导率为 0.85 X 16 (A.Γ1.πΓ1)，电阻率为 1.1765 (V.A-1.m)，溶解时体积增大3.5%，Pr数2.38X 10'
[0037]实施例二
[0038]根据下述步骤制备锂铅合金:
[0039](I)氩气(99.995% )使用前必须进行除水、除氧等杂质的处理。
[0040](2)采用高纯锂和高纯铅(其杂质不含有N、N1、Mo、Nb、Co、Cu等经中子辐照后易产生放射性产物的元素；杂质总含量小于300ppm，单个杂质元素的含量彡5ppm)为原料，在高纯氩气环境中分别将原料Pb和Li加工成粉末状，粒度:Pb为200目、Li为200目。[0041 ] (3) Pb和Li固态粉末状混合:按照Li和Pb的设计成分进行配料，Pb粉和Li粉分别装入各自的进料斗；进入搅拌池进行机械搅拌时，Pb粉先进入一部分，启动机械搅拌机搅拌，然后Li粉和Pb粉通过各自的进料斗口进入搅拌池混合，搅拌30分钟，让Li粉和Pb粉充分接触混合均匀。
[0042](4)清洗熔炼炉和铸模:将熔炼炉加热至450°C，抽真空至1.8Pa，保持5分钟，充入0.2MPa高纯氩气，保持5分钟；再抽真空至1.5Pa，保持5分钟，充入0.15MPa高纯氩气，保持5分钟；重复2次，清除熔炼炉内、熔炼炉内表面及熔炼炉内表面层废气。将铸模加热至500°C，保持20分钟，烘烤清除铸模内、铸模内表面及铸模内表面层废气。
[0043](5) Li与Pb合金化:将混合均匀的锂铅粉分批进入熔炼炉，加热熔化，同时对熔体进行连续电磁搅拌；Li与Pb合金化成锂铅合金，并放出大量的热量，加料熔化吸热，观察温度的变化，控制温度不超过470°C，维持搅拌25分钟，随后在420°C下将熔体静置2小时。
[0044](6)在线检测Li和Pb成分并依据测试结果返回到步骤(3)微调Li和Pb的配料t匕，待熔炼合金成分合格后，将420°C锂铅合金通过过滤网进行过滤，滤除高熔点的Li和Pb化合物，杂质含量小于280ppm。
[0045](7)真空熔铸，当300°C液态锂铅合金注入独特铸造模具后，液态锂铅合金一边随铸造模具缓慢地绕该水平轴转动，一边冷却成型，这样减少锂元素的重力偏析现象，进一步保证锂含量的均匀性，获得符合要求的合金铸锭。
[0046]以上过程都是在高纯氩气环境中进行的。
[0047]试验测试:该锂铅合金熔点236 °C，在300°C下测试，该液态锂铅合金密度为9600kg/m3，比热容为191J/(kg.K)，热传导率为1?/(m.K)，传热系数为100w/(m2.K)，粘滞系数为 0.187(10?-1),电导率为 0.84Χ106(Α.Γ1.πΓ1)，电阻率为 1.1665 (V.A-1.m)，溶解时体积增大3.4%，Pr数2.37X 10'
[0048]综上二实施例试验检测表明:进行优化设计锂铅合金(各成分的质量百分比为:基体为Pb ；Li:0.68±0.05%;杂质总含量小于300ppm，单个杂质元素的含量彡5ppm。所述的杂质元素的具体要求为:Fe、Mn、Al等元素，不含有N、N1、Mo、Nb、Co、Cu等经中子辐照后易产生放射性产物的元素)性能稳定，在试验误差范围内，各物理参数是一致的。
[0049]该锂铅合金熔点235°C，比室温高的多，液态锂铅合金可以流动，但载流的管道、设备应考虑预热，避免冷冻堵塞；熔点较高，安全性能较高。温度上升空间大，这样的温度空间可用现有的金属材料(奥氏体钢、铁素体钢/马氏体不锈钢、钒合金等)作为核反应堆包层结构材料。
[0050]实验研究表明，液态金属锂铅与奥氏体钢、铁素体钢/马氏体不锈钢、钒合金的最大兼容温度分别为400°C、480°C和650°C。这样的温度空间可用现有的金属材料(奥氏体钢、铁素体钢/马氏体不锈钢、钒合金等)作为核反应堆中的包层结构材料。
[0051]试验检测表明:该锂铅合金比热容为190J/(kg.K)，导热系数为15w/(m.K)，传热系数为100w/ (m2 -K)，导热和载热能力好，是很好的冷却剂与载热剂，允许设计高功率密度、高热效率包层系统。液态锂铅合金流动，把热量带至堆外实时在线取热发电。沸点高，载热剂可在常压下工作，聚变堆冷却系统可以不使用高压，安全性能较高。
[0052]试验检测表明:用氚的同位素氢和氘在该液态锂铅合金中进行溶解试验，发现氢和氘在该液态锂铅合金溶解度很低，故氚在其中的溶解度也很低，加之液态锂铅合金本身也是氚循环载体，可以在堆外实时在线提氚。
[0053]试验表明:该锂铅合金与水和空气没有爆炸性反应。尽管液态锂是相对较活泼的金属，安全性能较差，但该锂铅合金配方进行优化设计，使得在Li含量较小，进行锂铅合金与水和空气反应试验，没有爆炸性，比较安全。
[0054]因此，该液态锂铅合金作为中子倍增剂、氚增殖剂、载热冷却剂适用于核工业领域，特别是聚变堆领域。
【权利要求】
1.一种核反应堆用的锂铅合金，基体为Pb，Li的质量百分比含量为0.68±0.05% ;杂质总含量小于300ppm，单个杂质元素的含量彡5ppm，且不含有经中子辐照后会产生放射性产物的元素。
2.如权利要求1所述的锂铅合金，其特征在于，所述经中子辐照后会产生放射性产物的元素包括N、N1、Mo、Nb、Co和Cu。
3.如权利要求1所述的锂铅合金，其特征在于，所述锂铅合金中Fe、Mn和A1单个杂质元素的含量彡5ppm。
4.如权利要求1所述的锂铅合金，其特征在于，Li的质量百分比含量为0.68±0.02%。
5.权利要求1?4任一所述锂铅合金的制备方法，包括以下步骤: 1)在高纯氩气环境中，按Pb和Li的设计成分进行配料，将粒度为150?250目的Pb粉和Li粉分别装入各自的进料斗，先将一部分Pb粉装入搅拌池，启动机械搅拌，然后Li粉和Pb粉通过各自的进料斗口进入搅拌池混合均匀； 2)在高纯氩气环境中，将步骤1)混合好的Pb粉和Li粉分批加入熔炼炉中加热融化，同时进行连续的电磁搅拌，Li与Pb合金化并放出大量热量，加料熔化吸热，控制温度不超过470°C，维持搅拌15?25分钟，随后在400?450°C下将熔体静置1?3小时； 3)在高纯氩气环境中，将400?450°C的锂铅合金通过过滤网进行过滤，滤除高熔点的Li和Pb化合物； 4)将步骤3)过滤后的锂铅合金在270?320°C下真空熔铸，获得合金铸锭。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)在线检测合金的Li和Pb成分，并依据检测结果返回步骤1)微调Li和Pb的配料比，将Li粉和Pb粉混合均匀后接着进行步骤2)，待成分检测合格后进入步骤3)。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)真空熔铸时将铸造模具设置在一个圆柱形空腔的中心，且在垂直于圆柱形空腔的轴线方向上有一水平轴，使得整个铸造模具能绕该水平轴作缓慢的转动，当液态锂铅合金注入铸造模具后，液态锂铅合金一边随铸造模具缓慢地绕该水平轴转动，一边冷却成型。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高纯氩气为99.99% -99.999%氩气经除杂质处理后的氩气。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所使用的原料Li和Pb是高纯锂和高纯铅，不含有经中子辐照后会产生放射性产物的杂质元素。
【文档编号】C22C11/00GK104451252SQ201410763690
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】章毛连, 吴宜灿, 黄群英, 何晓雄, 张永锋, 王玉莲, 李勇, 高伟霞, 何恩节, 冯婕, 秦炎福, 姚洁, 李春京 申请人:安徽科技学院