CN106251912A - 基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，主要适用于氘氚聚变中子发生器中的氚靶系统。本发明将质子导体陶瓷膜作为氚靶的核心部件，其中质子导体陶瓷膜由致密的氧化物陶瓷固体电解质和两个多孔电极构成。自循环过程为：氚水通过外接电源在阳极被电离为氚离子，氚离子在多孔阳极中扩散并通过电解质迁移到阴极后，被还原为氚原子同时受到氘束流的轰击发生氘氚聚变。而阴极未参与聚变反应的氚通过净化系统氧化为氚水，收集后循环回至阳极继续使用。此系统的氚靶工作温度可提高至800‑1000℃，同时实现了氚的循环利用，极大提高了氚的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及自循环氚靶系统的技术领域，具体涉及一种基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，主要应用于氘氚聚变中子发生器的氚靶系统。
背景技术
氘氚聚变反应14.1MeV中子发生器作为一种重要的中子源，可以于核数据测量、聚变堆材料辐照损伤研究、半导体抗核加固、辐照育种、癌症治疗等各个方面。氚靶系统是这种中子发生器的关键技术。目前使用的氚靶一般用钛材料吸附气态氚制成氚钛靶。使用过程中，由于受氘离子流的轰击，热流密度高达kW/cm2量级，需要氚靶有较高的热稳定性。而现用的氚钛靶存在诸多问题：(1)由氚吸附在钛膜上形成的氚化钛，其明显分解温度为343℃，当温度达到343℃时，其中的氚开始大量释放。为了防止温度过热而造成氚气从靶片上释放，通常认为必须将温度控制在200℃以下。(2)靶片生产过程中必须用高密封的容器进行包容，否则难以对气态氚进行防护；(3)氚靶失效时，其中发生D-T反应的氚几乎可以忽略不计，氚靶中的氚的实际利用率小于0.5％；(4)未参与反应的氚，只有20％进入氚净化系统，其余80％的氚依然残留在氚靶中无法利用。以上原因造成氚钛靶昂贵且寿命短。为克服氚钛靶的种种不足，一种新型的氚靶亟待设计与开发。而固体氧化物燃料电池(SOFC)为新型氚靶的设计提供了思路。
固体氧化物燃料电池是一种全固态系统，主要包括致密的固体电解质，多孔的阴极和阳极以及致密连接材料等关键材料。根据电解质传导的载流子的不同，固体氧化物燃料电池可以分为氧离子(SOFC-O2 -)和质子传导(SOFC-H+)型燃料电池。对于质子传导型燃料电池，其工作原理为：
在阳极H2+2O0 ×＝2OH˙+2e-
被晶格氧离子俘获的质子释放出电子，并通过阳极-电解质界面，在电解质内传输，并到达阴极与氧气发生反应产生水。
4OH˙+O2+4e-＝2H2O+4O0 ×
继1899年固体氧化物燃料电池(SOFC)概念首次被提出后，固体电解质膜已经在多个领域得到长足应用。哥茨曼(Gottzmann)等人提交和一般转让的，题为“利用固体电解质膜产氢的方法”的美国专利(申请号08/848,200)中，公开了利用离子传导膜与另外的设备或过程的组合，以提高收率或效率。德尔纳维奇(Drnevich)等人提交和一般转让的，题为“利用与燃气透平组合的固体电解质膜生产氧化产物和发电方法”的美国专利(申请号08/848,258)中，公开了利用燃气透平与离子传导膜的组合。在最近二三十年间，基于质子传导材料的研究也开始逐渐升温。上海交通大学在专利“质子传导材料的制备方法”(申请号CN200910308552)中提出将质子传导技术应用于无机非金属材料领域。本发明在以上调研的基础上，设计发明了一套自循环系统，可将质子导体陶瓷膜应用于氚靶，大大提高了氚靶的使用温度和氚的利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，主要应用于氘氚聚变中子发生器靶系统，以提高使用温度和氚利用率。
本发明所采用的技术方案是：一种基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，包括：氚水供给系统、氚水电离及氚离子传导系统、外接电源、氚回收净化系统；所述的氚水电离及氚离子传导系统处于真空腔内；外接电源的正极和负极分别与氚水电离及氚离子传导系统的阳极和阴极连接；氚水供给系统、氚回收净化系统、氚水电离及氚离子传导系统密封连接形成一个自循环回路。
进一步的，氚水电离及氚离子传导系统采用但不限于锌掺杂锆酸盐体系作为质子导体陶瓷膜的电解质，金属-陶瓷作为阳极材料，钙钛矿作阴极材料，特种不锈钢作连接材料。
进一步的，通过构建自循环系统，将未参与聚变反应的氚离子在阴极还原为氚气，通过真空装置被抽入氚净化系统并再度氧化为氚水，回收后循环回氚水供给系统继续使用；参与氘氚聚变反应所消耗的氚量极少，氚水供给系统中的氚水可长期无需外界补充。
本发明的原理在于：
通过不锈钢和石英玻璃构建自循环氚靶系统，将质子导体陶瓷膜作为氚靶的核心部件。其自循环过程如下：氚水供给系统以一定的速度将氚水供入氚水电离及氚离子传导系统的阳极氚水电离产生的氚离子在外加电场驱动下，通过质子导体陶瓷膜电解质层迁移到阴极后，还原为氚原子并扩散至电极表面，受到氘束流的轰击发生氘氚聚变。而阴极未参与聚变反应的氚原子继续反应生成氚气，经过氚回收净化系统的高温氧化铜再度氧化为氚水，收集后循环回阳极继续使用。其中，质子导体陶瓷膜呈三明治结构，是由致密的氧化物陶瓷固体电解质和两个多孔电极构成。由于参与氘氚聚变反应所消耗的氚量极少，氚水供给系统中的氚水可长期无需外界补充。通过调节外加电压，能够使氚离子迁移速率与氘氚反应速率相匹配，使氚利用率最大化。
自循环氚靶系统中质子导体陶瓷膜固体电解质、阴极、阳极以及连接材料等部分都是影响氚靶性能及寿命的关键因素。为了平衡质子传输率与材料在二氧化碳及水中的稳定性，可以采用但不限于锌掺杂锆酸盐体系作为质子导体陶瓷膜的电解质，金属-陶瓷作为阳极材料，钙钛矿作阴极材料，特种不锈钢和石英玻璃管作连接材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明此系统的氚靶工作温度可提高至800-1000℃。
(2)本发明避免了温度过热而造成氚-热解吸，同时实现了氚的循环使用，大大提高了氚的利用率。
(3)本发明阴极放氚速率可通过改变外加电压进行调节，使之与氘氚聚变反应速率相匹配。
附图说明
图1为本发明的主体结构示意图；
图2为本发明的氚水电离及氚离子传导系统示意图。
其中：1.氚水供给系统，2.氚回收净化系统，3.外加电源，4.氚水电离及氚离子传导系统，5.氧气出口，6.阴极，7.质子导体电解质，8.阳极。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
如图1、和图2所示，本发明一种基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，包括氚水供给系统1、氚回收净化系统2、外加电源3、氚水电离及氚离子传导系统4；其中，氚水电离及氚离子传导系统4处于真空腔内，氚水电离及氚离子传导系统4包括阴极6、质子导体电解质7和阳极8，质子导体电解质7在阴极6和阳极8之间；外接电源3的正极和负极分别与氚水电离及氚离子传导系统4的阳极8和阴极6连接；氚水供给系统1、氚回收净化系统2分别与氚水电离及氚离子传导系统4密封连接，氚回收净化系统2与氚水供给系统1密封连接，形成一个循环回路。
具体实施例子：开启外接电源3，同时启动自循环氚靶系统。氚水由氚水供给系统1以一定的流速进入氚水电离及氚离子传导系统4并渗透至阳极8，外加电场的作用下，氚水电离产生的氚离子通过质子导体电解质7进行迁移，其中，质子导体电解质7为致密的氧化物陶瓷固体电解质，阳极8和阴极6均为多孔电极，而阳极电解产生的氧气通过透氧膜从氧气出口5释放并收集；在电场的作用下，氚离子通过质子导体电解质7，迁移至质子导体电解质7与阴极6界面。氚离子在阴极6侧得到电子被还原为氚原子，通过多孔结构扩散至阴极6表面并遭遇氘束流的轰击发生氘氚聚变。而阴极6表面未参与聚变反应的氚原子结合为氢气，脱离电极并被真空装置被抽入氚回收净化系统2，并在此处经过高温氧化铜再度还原为氚水，氚水收集循环回氚水供给系统1继续使用。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，包括：氚水供给系统(1)、氚水电离及氚离子传导系统(4)、外接电源(3)、氚回收净化系统(2)；其特征在于：所述的氚水电离及氚离子传导系统(4)处于真空腔内；外接电源(3)的正极和负极分别与氚水电离及氚离子传导系统(4)的阳极(8)和阴极(6)连接；氚水供给系统(1)、氚回收净化系统(2)、氚水电离及氚离子传导系统(4)密封连接形成一个自循环回路。
2.如权利要求1所述的基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，其特征在于：氚水电离及氚离子传导系统(4)采用但不限于锌掺杂锆酸盐体系作为质子导体陶瓷膜的电解质，金属-陶瓷作为阳极材料，钙钛矿作阴极材料，特种不锈钢作连接材料。
3.如权利要求1所述的基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统，其特征在于：通过构建自循环系统，将未参与聚变反应的氚离子在阴极还原为氚气，通过真空装置被抽入氚净化系统并再度氧化为氚水，回收后循环回氚水供给系统(1)继续使用；参与氘氚聚变反应所消耗的氚量极少，氚水供给系统(1)中的氚水可长期无需外界补充。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Yican Inventor after: Ji Xiang Inventor after: Jiang Jieqiong Inventor after: Wang Chao Inventor after: Wang Shufen Inventor before: Ji Xiang Inventor before: Wu Yican Inventor before: Jiang Jieqiong Inventor before: Wang Chao Inventor before: Wang Shufen |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170524 Termination date: 20210815 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |