液態(tài)金屬冷卻劑（液態(tài)金屬冷卻劑）

性質(zhì)特點(diǎn)

液態(tài)金屬冷卻劑主要由低熔點(diǎn)堿金屬（如Na、K、Li）和低熔點(diǎn)合金（如Pb-Bi）等構(gòu)成，其普遍具有熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、比熱容大和導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，且在常溫下具有流動性，但是一般液態(tài)金屬對于金屬材料具有一定的腐蝕性。

常見種類

鈉鉀合金

液態(tài)鈉常用作快中子核反應(yīng)堆中的換熱介質(zhì)，其熔點(diǎn)為97.8℃，且液態(tài)鈉具有極高的熱導(dǎo)率，比如在100℃的導(dǎo)熱系數(shù)為86.9W/m·K，液態(tài)鉀的導(dǎo)熱系數(shù)略低于液態(tài)鈉。液態(tài)鈉和液態(tài)鉀可以以任意比混溶，共晶NaK合金的熔點(diǎn)為-12.65 ± 0.01℃ ? 。鈉、鉀或鈉鉀合金化學(xué)性質(zhì)都比較活潑，在空氣中會被迅速氧化，在水中會發(fā)生劇烈燃燒。正是因?yàn)榘踩蛩?，在非密閉空間應(yīng)用不多，其主要優(yōu)點(diǎn)在于換熱性能好且價格便宜。

鉛鉍合金

液態(tài)鉛秘共晶合金已成為加速器驅(qū)動次臨界反應(yīng)堆冷卻劑及散裂主要候選材料之一。其優(yōu)點(diǎn)主要包括以下內(nèi)容：1）良好的中子學(xué)性能，在相同的質(zhì)子束功率下，可獲得比固態(tài)鎢靶更高的中子通量密度；2）鉛秘合金共晶體的溶點(diǎn)低，只有125.5℃，靶系統(tǒng)可以在低的溫度與壓力下運(yùn)行，減少了反應(yīng)堆和靶設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)難度和高溫高壓運(yùn)行帶來的安全隱患；3）導(dǎo)熱性能優(yōu)異，載熱能力強(qiáng)，傳熱迅速；4）堆運(yùn)行溫度下，鉛秘合金飽和蒸汽壓低，可減少鉛秘的蒸發(fā)與沉積引發(fā)的系統(tǒng)控制和維修問題；5）中子福照損傷小；6）鉛秘合金在堆運(yùn)行狀況下，與空氣和水呈化學(xué)惰性，不會發(fā)生劇烈反應(yīng)，可大大降低因冷卻劑泄露造成的化學(xué)起火與爆炸的可能性。

鎵銦合金

鎵是柔軟的銀白色金屬，它在大氣環(huán)境下的熔點(diǎn)很低，僅為29.77°,在熔點(diǎn)時的導(dǎo)熱系數(shù)為29.4W/m·K，遠(yuǎn)高于空氣和水。這些熱特性表明將鎵作為芯片散熱用的冷卻介質(zhì)是十分合適的，目前較為成熟的液態(tài)金屬鎵冷卻技術(shù)是采用鎵銦合金作為計(jì)算機(jī)散熱器中的冷卻介質(zhì)。

應(yīng)用領(lǐng)域

核工業(yè)

核反應(yīng)堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應(yīng)堆堆芯，并將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應(yīng)堆的工作介質(zhì)，也稱載熱劑。核反應(yīng)堆是一種控制發(fā)熱型裝置，因?yàn)楹肆炎儧]有溫度上限，為維持一定的溫度，必須采取可控冷卻措施，因此，冷卻劑的作用是非常重要的。為了在盡可能小的傳熱面積條件下從堆芯載帶出更多的熱量，得到更高的冷卻效率，冷卻劑應(yīng)選用具有適當(dāng)物理性質(zhì)，如比熱容和熱導(dǎo)率大、熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高的物質(zhì)。

低熔點(diǎn)堿金屬（如Na、K、Li）和低熔點(diǎn)合金（如Pb-Bi）等液態(tài)金屬因具有熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、比熱容大和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，曾被作為快中子堆冷卻劑的候選材料。目前，只有液態(tài)金屬鈉在世界各國的快中子堆上得到過或仍在得到實(shí)用。由于快中子堆堆芯功率密度比壓水堆的高，使用液態(tài)金屬鈉可獲得很大的對流傳熱系數(shù)，達(dá)到客觀的熱流密度；其次，因鈉的相對密度小于1，使冷卻劑消耗的即送功率只占輸出功率的很小一部分，與氦冷卻劑相比較突顯出了優(yōu)越性，其三，鈉與燃料包殼材料——不銹鋼的相容性很好，雖然已發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量遷移問題，但對包殼耗蝕量僅為數(shù)十微米。得益于上述優(yōu)點(diǎn)，液態(tài)金屬鈉及其合金冷卻劑在核工業(yè)中擁有巨大潛力。

除了快中子反應(yīng)堆冷卻劑以外，其他類型的液態(tài)金屬冷卻劑也應(yīng)用在不同種類的核反應(yīng)堆當(dāng)中，如鉛鉍合金應(yīng)用于加速器驅(qū)動次臨界反應(yīng)堆中，成為反應(yīng)堆冷卻劑及散裂主要候選材料之一。

快中子反應(yīng)堆

芯片散熱

近年來，高集成度計(jì)算機(jī)芯片、光電器件等引發(fā)的熱障問題，已成為制約其持續(xù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。特別是計(jì)算機(jī)、光電芯片一直朝著提高集成度、減小尺寸及增加時鐘頻率的趨勢發(fā)展，“熱障”問題因此日益嚴(yán)峻。

金屬一般具有遠(yuǎn)高于非金屬材料的熱導(dǎo)率，因而在一些特殊場合具有重要用途。而計(jì)算機(jī)一般工作在0°以上，80°以下，若能在這一溫度區(qū)內(nèi)將液體金屬作為冷卻流體，則可產(chǎn)生很好的散熱性能。正是基于上述考慮，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜研究員和周一欣研究員于2002年首次提出一種以低熔點(diǎn)金屬或其合金作為流動工質(zhì)的計(jì)算機(jī)芯片冷卻方法。

作為一種同時兼有高效導(dǎo)熱和對流散熱特性的技術(shù)，液態(tài)金屬散熱將有望成為新一代比較理想的超高功率密度熱傳輸技術(shù)之一。并有可能打破許多光電子芯片器件使用上的技術(shù)瓶頸。

液態(tài)金屬芯片散熱