论文总字数：21444字

摘 要

锂（Li）基陶瓷是未来核聚变堆候选氚增殖材料。随着研究的深入，人们认识到单相氚增殖材料难以兼顾机械性能和氚释放性能。近年来，将两种氚增殖材料进行复合（Li基复合陶瓷），在性能上互相取长补短成为固态氚增殖材料的发展方向。

论文主要总结了国内外几种固态氚增殖剂的优缺点及合成手段，研究了微波作用下复合陶瓷氚增殖材料的溶液燃烧合成过程的特点和物相形成过程。计算了Li₂TiO₃-Li₄SiO₄及Li₂TiO₃-Li₈ZrO₆材料体系下燃烧反应的焓变和绝热温度，分析物相形成过程及关键影响因素，为复合陶瓷氚增殖材料的快速合成提供了理论依据。

本文的特色在于计算了Li₂TiO₃-Li₄SiO₄及Li₂TiO₃-Li₈ZrO₆材料体系下燃烧反应的焓变和绝热温度，对复合陶瓷氚增殖材料的合成具有理论借鉴意义。

关键词：氚增殖剂；Li₂TiO₃；核聚变；合成

Abstract

Lithium (Li) based ceramic is a candidate tritium breeder material for nuclear fusion reactor.With the development of research, it is recognized that it is difficult to combine the mechanical properties and tritium release properties of single-phase tritium breeding materials.In recent years, it has become the development direction of solid tritium breeder materials to compound two tritium breeder materials (Li matrix composite ceramics) and learn from each other in terms of performance.

Thesis mainly summarizes the advantages and disadvantages of several kinds of solid tritium breeding agent at home and abroad and synthesis method, microwave was studied under the action of composite ceramic tritium breeding material solution of the characteristics of the combustion synthesis process and phase formation process, calculates the Li₂TiO₃-Li₄SiO₄ and Li₂TiO₃-Li₈ZrO₆ material system enthalpy change and adiabatic temperature, combustion reaction under analysis phase formation process and the key influencing factors, for the composite ceramic provides theory basis for the rapid synthesis of tritium breeding materials.

The characteristic of this paper is to calculate the enthalpy change and adiabatic temperature of the combustion reaction under the Li₂TiO₃-Li₄SiO₄ and Li₂TiO₃-Li₈ZrO₆ material systems, which has certain theoretical reference significance for the synthesis of composite ceramic tritium breeding materials.

Key Words：Tritium breeder；Li₂TiO₃；Nuclear fusion；Synthesis

目 录

第1章 绪论 3

1.1 引言 3

1.2 氚增殖剂的研究现状 3

1.2.1 氚增殖剂的分类 3

1.2.2 氚增殖剂的制备 4

1.3 本论文的研究意义与内容 5

第2章 微波作用下复合陶瓷合成的研究 7

2.1 微波辅助的溶液燃烧法 7

2.1.1 微波产生的基本原理 7

2.1.2 波导管传输微波的过程 7

2.1.3 加热反应机制 8

2.2 Li₂TiO₃-Li₄SiO₄复合陶瓷的合成 8

2.2.1 性质 8

2.2.2 合成方法 9

2.2.3 热力学计算 10

第3章 Li₂TiO₃- Li₈ZrO₆复合陶瓷合成的研究 13

3.1 性质 13

3.2 合成方法 14

3.3 热力学计算 15

第4章 铝酸锂陶瓷合成的研究 17

4.1 LiAlO₂陶瓷材料 17

4.1.1性质 17

4.1.2合成方法 17

4.2 Li₅AlO₄陶瓷材料 18

4.2.1性质 18

4.2.2合成方法 18

第5章 总结及展望 19

5.1 总结 19

5.2 展望 20

5.2.1 新型复合陶瓷氚增殖剂的设计 20

5.2.2 制备方法的创新 20

参考文献 22

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

近年来，随着社会经济发展速度日益迅猛，传统的化石能源如石油、煤等越来越难以满足人们对能源的需求。所以人们迫切需要一种可持续的能源来应对目前的能源危机。核聚变能源作为一种安全、清洁、可持续的能而备受瞩目。其中D-T聚变反应的难度最低，最适合用于核聚变产能。反应过程如下：

D T → He (3.65MeV) n (14.03MeV)

氘和氚是目前正在进行研究的热核聚变反应堆中的燃料。这两种元素都是氢的同位素，其中氘在海水中储量丰富，不需要进行人工制备。而氚的自然含量很低，通常使用锂增殖氚来实现聚变堆的燃料循环。氚增殖剂就是在聚变堆增殖包层中产生氚的锂基材料。对于氚增殖剂，大的氚增殖比、优异的高温化学稳定性、高的机械稳定性和良好的氚释放性能是必需的。

锂基陶瓷是未来核聚变堆候选氚增殖材料。随着研究的深入，人们认识到单相氚增殖材料难以兼顾机械性能和氚释放性能。近年来，将两种氚增殖材料进行复合（Li基复合陶瓷），在性能上互相取长补短成为固态氚增殖材料的发展方向。

1.2 氚增殖剂的研究现状

1.2.1 氚增殖剂的分类

目前国内外已有的氚增殖剂包括液态氚增殖剂和固态氚增殖剂两种。其中液态氚增殖剂主要为液态锂及其合金，固态氚增殖剂主要是锂基陶瓷，主要包括Li₂O、Li₂TiO₃、Li₄SiO₄、LiAlO₂、Li₂ZrO₃等，以及近几年发现的的两种锂密度较高的Li₅AlO₄和Li₈ZrO₆，这些材料都有它们各自的优点和缺点，如表1所示。

表1. 常见固态氚增殖材料优缺点

1.2.2 氚增殖剂的制备

固态氚增殖剂的制备通常按两步进行：第一步是陶瓷粉末的合成，第二步为陶瓷小球的成形与烧结。目前也有一些科研工作者在进行一步直接成形的研究。固态氚增殖剂粉末的合成方法包括固相反应法、溶液燃烧法、溶胶-凝胶法、原位水解法和水热法等。

固态氚增殖剂粉末制备最为传统的方法之一就是固相反应法。这种方法是由由固相物质直接参与的反应，反应速度取决于反应物原子或离子的迁移与扩散。反应物之间必须充分接触。反应通常需要在高温下进行且反应持续的时间较长。固相反应法是制备固态氚增殖剂粉末最常用的方法之一，它有着许多的优点：反应为纯固相间的反应，没有溶剂的参与；生产效率高原料损耗小、制备路线简单并且易于实现大规模工业化生产；但与此同时也存在一定的缺点：比如维持反应进行所需要的温度较高，因此会产生较高的能耗；反应进程受反应物迁移和扩散程度的影响较大，容易反应不彻底。

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