本發(fā)明涉及自循環(huán)氚靶系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜的自循環(huán)氚靶系統(tǒng)，主要應(yīng)用于氘氚聚變中子發(fā)生器的氚靶系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

氘氚聚變反應(yīng)14.1MeV中子發(fā)生器作為一種重要的中子源，可以于核數(shù)據(jù)測(cè)量、聚變堆材料輻照損傷研究、半導(dǎo)體抗核加固、輻照育種、癌癥治療等各個(gè)方面。氚靶系統(tǒng)是這種中子發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)。目前使用的氚靶一般用鈦材料吸附氣態(tài)氚制成氚鈦靶。使用過(guò)程中，由于受氘離子流的轟擊，熱流密度高達(dá)kW/cm²量級(jí)，需要氚靶有較高的熱穩(wěn)定性。而現(xiàn)用的氚鈦靶存在諸多問(wèn)題：(1)由氚吸附在鈦膜上形成的氚化鈦，其明顯分解溫度為343℃，當(dāng)溫度達(dá)到343℃時(shí)，其中的氚開(kāi)始大量釋放。為了防止溫度過(guò)熱而造成氚氣從靶片上釋放，通常認(rèn)為必須將溫度控制在200℃以下。(2)靶片生產(chǎn)過(guò)程中必須用高密封的容器進(jìn)行包容，否則難以對(duì)氣態(tài)氚進(jìn)行防護(hù)；(3)氚靶失效時(shí)，其中發(fā)生D-T反應(yīng)的氚幾乎可以忽略不計(jì)，氚靶中的氚的實(shí)際利用率小于0.5％；(4)未參與反應(yīng)的氚，只有20％進(jìn)入氚凈化系統(tǒng)，其余80％的氚依然殘留在氚靶中無(wú)法利用。以上原因造成氚鈦靶昂貴且壽命短。為克服氚鈦靶的種種不足，一種新型的氚靶亟待設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。而固體氧化物燃料電池(SOFC)為新型氚靶的設(shè)計(jì)提供了思路。

固體氧化物燃料電池是一種全固態(tài)系統(tǒng)，主要包括致密的固體電解質(zhì)，多孔的陰極和陽(yáng)極以及致密連接材料等關(guān)鍵材料。根據(jù)電解質(zhì)傳導(dǎo)的載流子的不同，固體氧化物燃料電池可以分為氧離子(SOFC-O₂^-)和質(zhì)子傳導(dǎo)(SOFC-H⁺)型燃料電池。對(duì)于質(zhì)子傳導(dǎo)型燃料電池，其工作原理為：

在陽(yáng)極H₂+2O₀^×＝2OH˙+2e^-

被晶格氧離子俘獲的質(zhì)子釋放出電子，并通過(guò)陽(yáng)極-電解質(zhì)界面，在電解質(zhì)內(nèi)傳輸，并到達(dá)陰極與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水。

4OH˙+O₂+4e^-＝2H₂O+4O₀^×

繼1899年固體氧化物燃料電池(SOFC)概念首次被提出后，固體電解質(zhì)膜已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到長(zhǎng)足應(yīng)用。哥茨曼(Gottzmann)等人提交和一般轉(zhuǎn)讓的，題為“利用固體電解質(zhì)膜產(chǎn)氫的方法”的美國(guó)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?8/848,200)中，公開(kāi)了利用離子傳導(dǎo)膜與另外的設(shè)備或過(guò)程的組合，以提高收率或效率。德?tīng)柤{維奇(Drnevich)等人提交和一般轉(zhuǎn)讓的，題為“利用與燃?xì)馔钙浇M合的固體電解質(zhì)膜生產(chǎn)氧化產(chǎn)物和發(fā)電方法”的美國(guó)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?8/848,258)中，公開(kāi)了利用燃?xì)馔钙脚c離子傳導(dǎo)膜的組合。在最近二三十年間，基于質(zhì)子傳導(dǎo)材料的研究也開(kāi)始逐漸升溫。上海交通大學(xué)在專(zhuān)利“質(zhì)子傳導(dǎo)材料的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)朇N200910308552)中提出將質(zhì)子傳導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。本發(fā)明在以上調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)明了一套自循環(huán)系統(tǒng)，可將質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜應(yīng)用于氚靶，大大提高了氚靶的使用溫度和氚的利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜的自循環(huán)氚靶系統(tǒng)，主要應(yīng)用于氘氚聚變中子發(fā)生器靶系統(tǒng)，以提高使用溫度和氚利用率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜的自循環(huán)氚靶系統(tǒng)，包括：氚水供給系統(tǒng)、氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)、外接電源、氚回收凈化系統(tǒng)；所述的氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)處于真空腔內(nèi)；外接電源的正極和負(fù)極分別與氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)的陽(yáng)極和陰極連接；氚水供給系統(tǒng)、氚回收凈化系統(tǒng)、氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)密封連接形成一個(gè)自循環(huán)回路。

進(jìn)一步的，氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)采用但不限于鋅摻雜鋯酸鹽體系作為質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜的電解質(zhì)，金屬-陶瓷作為陽(yáng)極材料，鈣鈦礦作陰極材料，特種不銹鋼作連接材料。

進(jìn)一步的，通過(guò)構(gòu)建自循環(huán)系統(tǒng)，將未參與聚變反應(yīng)的氚離子在陰極還原為氚氣，通過(guò)真空裝置被抽入氚凈化系統(tǒng)并再度氧化為氚水，回收后循環(huán)回氚水供給系統(tǒng)繼續(xù)使用；參與氘氚聚變反應(yīng)所消耗的氚量極少，氚水供給系統(tǒng)中的氚水可長(zhǎng)期無(wú)需外界補(bǔ)充。

本發(fā)明的原理在于：

通過(guò)不銹鋼和石英玻璃構(gòu)建自循環(huán)氚靶系統(tǒng)，將質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜作為氚靶的核心部件。其自循環(huán)過(guò)程如下：氚水供給系統(tǒng)以一定的速度將氚水供入氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)的陽(yáng)極氚水電離產(chǎn)生的氚離子在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜電解質(zhì)層遷移到陰極后，還原為氚原子并擴(kuò)散至電極表面，受到氘束流的轟擊發(fā)生氘氚聚變。而陰極未參與聚變反應(yīng)的氚原子繼續(xù)反應(yīng)生成氚氣，經(jīng)過(guò)氚回收凈化系統(tǒng)的高溫氧化銅再度氧化為氚水，收集后循環(huán)回陽(yáng)極繼續(xù)使用。其中，質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜呈三明治結(jié)構(gòu)，是由致密的氧化物陶瓷固體電解質(zhì)和兩個(gè)多孔電極構(gòu)成。由于參與氘氚聚變反應(yīng)所消耗的氚量極少，氚水供給系統(tǒng)中的氚水可長(zhǎng)期無(wú)需外界補(bǔ)充。通過(guò)調(diào)節(jié)外加電壓，能夠使氚離子遷移速率與氘氚反應(yīng)速率相匹配，使氚利用率最大化。

自循環(huán)氚靶系統(tǒng)中質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜固體電解質(zhì)、陰極、陽(yáng)極以及連接材料等部分都是影響氚靶性能及壽命的關(guān)鍵因素。為了平衡質(zhì)子傳輸率與材料在二氧化碳及水中的穩(wěn)定性，可以采用但不限于鋅摻雜鋯酸鹽體系作為質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜的電解質(zhì)，金屬-陶瓷作為陽(yáng)極材料，鈣鈦礦作陰極材料，特種不銹鋼和石英玻璃管作連接材料。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明此系統(tǒng)的氚靶工作溫度可提高至800-1000℃。

(2)本發(fā)明避免了溫度過(guò)熱而造成氚-熱解吸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氚的循環(huán)使用，大大提高了氚的利用率。

(3)本發(fā)明陰極放氚速率可通過(guò)改變外加電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之與氘氚聚變反應(yīng)速率相匹配。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)示意圖。

其中：1.氚水供給系統(tǒng)，2.氚回收凈化系統(tǒng)，3.外加電源，4.氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)，5.氧氣出口，6.陰極，7.質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)，8.陽(yáng)極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1、和圖2所示，本發(fā)明一種基于質(zhì)子導(dǎo)體陶瓷膜的自循環(huán)氚靶系統(tǒng)，包括氚水供給系統(tǒng)1、氚回收凈化系統(tǒng)2、外加電源3、氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)4；其中，氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)4處于真空腔內(nèi)，氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)4包括陰極6、質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)7和陽(yáng)極8，質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)7在陰極6和陽(yáng)極8之間；外接電源3的正極和負(fù)極分別與氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)4的陽(yáng)極8和陰極6連接；氚水供給系統(tǒng)1、氚回收凈化系統(tǒng)2分別與氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)4密封連接，氚回收凈化系統(tǒng)2與氚水供給系統(tǒng)1密封連接，形成一個(gè)循環(huán)回路。

具體實(shí)施例子：開(kāi)啟外接電源3，同時(shí)啟動(dòng)自循環(huán)氚靶系統(tǒng)。氚水由氚水供給系統(tǒng)1以一定的流速進(jìn)入氚水電離及氚離子傳導(dǎo)系統(tǒng)4并滲透至陽(yáng)極8，外加電場(chǎng)的作用下，氚水電離產(chǎn)生的氚離子通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)7進(jìn)行遷移，其中，質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)7為致密的氧化物陶瓷固體電解質(zhì)，陽(yáng)極8和陰極6均為多孔電極，而陽(yáng)極電解產(chǎn)生的氧氣通過(guò)透氧膜從氧氣出口5釋放并收集；在電場(chǎng)的作用下，氚離子通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)7，遷移至質(zhì)子導(dǎo)體電解質(zhì)7與陰極6界面。氚離子在陰極6側(cè)得到電子被還原為氚原子，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散至陰極6表面并遭遇氘束流的轟擊發(fā)生氘氚聚變。而陰極6表面未參與聚變反應(yīng)的氚原子結(jié)合為氫氣，脫離電極并被真空裝置被抽入氚回收凈化系統(tǒng)2，并在此處經(jīng)過(guò)高溫氧化銅再度還原為氚水，氚水收集循環(huán)回氚水供給系統(tǒng)1繼續(xù)使用。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。