高温He-H2气氛下新型富锂Li4+xSi1-xAlxO4微球锂损失行为及调控

To obtain a new-type advanced tritium breeder with high lithium content and low lithium loss, aiming at solving the problem of lithium loss and the difficulty of regulation at high temperature under He-H2, this project presents a novel process to regulate the lithium loss behavior of the new lithium-rich Li4+xSi1-xAlxO4 breeders by adjusting its oxygen vacancy. The lithium loss experiments at high temperature under He-H2 combined with the First-principles calculation are conducted to reveal the oxygen formation mechanism and the effect of oxygen defects on the lithium loss path in Li4+xSi1-xAlxO4 breeders. Then the Li4+iSi1-iAliO4-y breeders with oxygen defects will be designed based on the theoretical calculation and obtained by ion implantation and adjusting the oxygen partial pressure. The influence rule of oxygen defects on the lithium loss behavior of the Li4+iSi1-iAliO4-y pebbles are investigated to reveal the regulation mechanism. The novel method for regulating the lithium loss of breeders will provide scientific support for designing the new-type advanced tritium breeders and promote the development of the new-advanced tritium breeders.

为了获得锂含量高且锂损失小的先进锂基微球，针对锂基微球在高温He-H2环境中存在锂损失且调控困难的问题，本项目提出氧缺陷调控Li4+xSi1-xAlxO4锂损失行为的新方法。项目拟通过高温球床损失实验结合理论计算，揭示Li4+xSi1-xAlxO4在高温He-H2环境中氧的形成机理，并探明氧缺陷对锂损失路径的影响规律。在此基础上，设计氧缺陷并通过离子注入和调控氧分压获得具有不同氧缺陷浓度的Li4+iS1-iAliO4-y，研究氧缺陷对锂损行为的影响规律，揭示氧缺陷调控锂损失的机制，形成调控锂损失行为的新方法，为新型富锂增殖微球的设计提供基础理论和实验数据的支撑，推动新型增殖微球的发展。

为了获得锂含量高且锂损失小的先进锂基微球，针对锂基微球在高温He-H2环境中存在锂损失且调控困难的问题，本项目提出氧缺陷调控Li4+xSi1-xAlxO4锂损失行为新思路，并开发出了流态化化学气相沉积制备先进核壳结构微球的新方法。首先，系统的研究了原料物性、匹配性以及掺杂工艺对制备纯相Al掺杂Li4SiO4粉体以及微球的热力学条件和动力学规律，发现合成反应热力学上不受限。但是，从动力学的角度来讲，存在较大传质屏障。固相合成法合成高质量Li4+xSi1-xAlxO4粉体有两个关键环节：两步法和强化传质。为解决该问题，开发出预反应合成结合固溶取代策略，成功制备出了Al掺杂的x=0和0.1的直径为1mm的微球和直径为10 mm 厚1mm 的圆片Li4+xSi1-xAlxO4增殖剂。其次，分别采用高温真空热处理和离子辐照成功制备出了Li4+xSi1-xAlxO4-y增殖剂，结合第一性原理计算探明了氧缺位的形成机制，揭示了真空中温度对氧缺陷y值的影响规律。探究了温度、气氛、氧缺陷对Li4+xSi1-xAlxO4-y增殖剂的锂损失的影响行为，探明了氧缺陷对锂的迁移扩散影响规律，给出了Li4+xSi1-xAlxO4-y增殖剂锂损失动力学方程，获得了锂损失小的最佳氧缺陷增殖剂。最后，开发出易于批量化制备核壳结构的流态化化学气相沉积新工艺，获得了锂损失小、耐腐蚀、抗氧化且抗压溃强度大的先进核壳结构C@Li4SiO4、C@Li2TiO3、TiN@Li4SiO4，TiN@Li2TiO3增殖剂，为开发新型先进富锂氚增殖的设计提供了理论和实验数据的支撑。