[发明专利]基于质子导体陶瓷膜的自循环氚靶系统

说明书

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：