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国际聚变材料辐照设施（IFMIF）锂安全处理技术开发现状研究

作者及机构
本研究由日本原子能机构（JAEA）的Tomohiro Furukawa、Yasushi Hirakawa、Shoichi Kato等团队完成，发表于2014年8月的《Fusion Engineering and Design》第89卷。

一、学术背景

研究领域：核聚变工程材料安全，聚焦液态金属锂在聚变反应堆中的安全处理技术。
研究动机：国际聚变材料辐照设施（IFMIF）需利用锂靶装置产生中子辐照材料，但液态锂的高反应性（如与空气、水剧烈反应）可能引发火灾、腐蚀等风险。
研究目标：开发锂泄漏事故的应急处理技术，包括火灾扑灭、泄漏产物腐蚀评估、锂残留清除及杂质分析四大任务，为IFMIF工程验证与设计活动（EVEDA）提供安全支持。

二、研究流程与方法

研究分为四个核心任务，具体流程如下：

1. 锂火灾扑灭材料筛选

实验设计：
- 材料选择：评估6种灭火材料：干砂、珍珠岩（pearlite）、Natrex-M（Na₂CO₃基）、Natrex-L（NaCl基）、Mitex和Graphex-CK23（碳基）。
- 测试方法：将250-270 g锂置于钢容器中点燃，观察灭火效果。测量火焰高度、材料消耗量及残留物处理难度。
关键发现：
- 干砂/珍珠岩：因含SiO₂与锂反应（生成Li₂SiO₃）导致火焰骤增（0.5 m），不适用。
- Natrex-L：灭火有效，但需厚度为锂池深度的1.5倍（如20 mm深池需30 mm厚），且易被锂淹没。
- 碳基材料（Mitex/Graphex）：灭火效率最高（厚度需求低），但颗粒易飘散且残留物难处理。

2. 锂泄漏化学反应与腐蚀评估

模拟与实验结合：
- 化学平衡计算：使用Gibbs能量最小化器（GEM）模拟不同温度（773 K）、湿度（50% RH）下锂与空气的反应产物。结果显示主要生成Li₂O和Li₃N，高温下LiOH可能因混凝土释放水分形成。
- 腐蚀实验：将316不锈钢暴露于Li₃N、LiOH、Li₂O₂等环境中（1120 K加热）。结果：
- LiOH/Li₃N：导致晶界腐蚀，重量损失显著。
- Li₂O₂：形成颗粒状氧化铁，铬元素流失。

3. 锂残留清除技术

溶剂筛选：测试乙醇、水及混合溶剂对锂的溶解速率。
- 结果：纯水溶解最快（1.6 mm/min，30°C），但后期速率非线性增加；乙醇-水混合（1:1）速率适中（0.43 mm/min），适合可控清除。

4. 锂中氮杂质分析

方法优化：
- 凯氏定氮法：将锂样品转化为NH₄⁺，通过离子色谱检测。
- 精度验证：检出限0.3 ppb，测定限0.8 ppb，回收率97.2%（5 μg氮标准样品）。
- 实际应用：测量锂中氮含量（平均63.5 ppm），为腐蚀控制提供数据支持。

三、主要结果与逻辑关联

1. 灭火材料：Natrex-L因平衡性能被选为IFMIF-EVEDA锂回路灭火剂，但需设计防淹没措施。
   
2. 泄漏产物：Li₃N和LiOH是主要腐蚀源，指导事故后材料更换策略。
   
3. 清除技术：乙醇-水混合溶剂成为安全清除方案。
   
4. 杂质分析：高精度氮检测法为锂纯度控制提供标准。
   

四、结论与价值

科学价值：
- 首次系统量化锂泄漏产物的腐蚀效应，填补聚变工程中锂安全数据空白。
- 建立氮杂质检测标准（精度1 ppm），支撑后续材料研发。
应用价值：
- 为IFMIF锂靶设施设计灭火、泄漏应急、组件退役方案提供直接依据。
- 成果可推广至其他液态金属冷却反应堆（如钠冷快堆）。

五、研究亮点

1. 多任务协同：覆盖从事故应急（灭火）到后期处理（腐蚀评估、清除）的全链条技术。
   
2. 方法创新：
   
   • 开发GEM模拟预测泄漏产物，指导实验设计。
     
   • 优化凯氏定氮法，实现微量氮（ppb级）检测。
     
3. 工程导向：所有实验均针对IFMIF实际需求（如灭火剂厚度与锂池深度关系）。
   

六、其他价值

研究提出的锂-氮腐蚀机制（如三元氮化物Li₉CrN₅的形成）为后续材料抗腐蚀设计提供了新方向。