[科普中国]-液态金属冷却剂

性质特点

液态金属冷却剂主要由低熔点碱金属（如Na、K、Li）和低熔点合金（如Pb-Bi）等构成，其普遍具有熔点低、沸点高、比热容大和导热性好的特点，且在常温下具有流动性，但是一般液态金属对于金属材料具有一定的腐蚀性。

常见种类钠钾合金

液态钠常用作快中子核反应堆中的换热介质，其熔点为97.8℃，且液态钠具有极高的热导率，比如在100℃的导热系数为86.9W/m·K，液态钾的导热系数略低于液态钠。液态钠和液态钾可以以任意比混溶，共晶NaK合金的熔点为-12.65 ± 0.01℃1。钠、钾或钠钾合金化学性质都比较活泼，在空气中会被迅速氧化,在水中会发生剧烈燃烧。正是因为安全因素，在非密闭空间应用不多，其主要优点在于换热性能好且价格便宜。

铅铋合金

液态铅秘共晶合金已成为加速器驱动次临界反应堆冷却剂及散裂主要候选材料之一。其优点主要包括以下内容：1）良好的中子学性能，在相同的质子束功率下，可获得比固态钨靶更高的中子通量密度；2）铅秘合金共晶体的溶点低，只有125.5℃，靶系统可以在低的温度与压力下运行，减少了反应堆和靶设计的实现难度和高温高压运行带来的安全隐患；3）导热性能优异，载热能力强，传热迅速；4）堆运行温度下，铅秘合金饱和蒸汽压低，可减少铅秘的蒸发与沉积引发的系统控制和维修问题；5）中子福照损伤小；6）铅秘合金在堆运行状况下，与空气和水呈化学惰性，不会发生剧烈反应，可大大降低因冷却剂泄露造成的化学起火与爆炸的可能性。2

镓铟合金

镓是柔软的银白色金属,它在大气环境下的熔点很低，仅为29.77°,在熔点时的导热系数为29.4W/m·K，远高于空气和水。这些热特性表明将镓作为芯片散热用的冷却介质是十分合适的，目前较为成熟的液态金属镓冷却技术是采用镓铟合金作为计算机散热器中的冷却介质。1

应用领域核工业

核反应堆的冷却剂是指用来冷却核反应堆堆芯，并将堆芯所释放的热量载带出核反应堆的工作介质，也称载热剂。核反应堆是一种控制发热型装置，因为核裂变没有温度上限，为维持一定的温度，必须采取可控冷却措施，因此，冷却剂的作用是非常重要的。为了在尽可能小的传热面积条件下从堆芯载带出更多的热量，得到更高的冷却效率，冷却剂应选用具有适当物理性质，如比热容和热导率大、熔点低、沸点高的物质。3

低熔点碱金属（如Na、K、Li）和低熔点合金（如Pb-Bi）等液态金属因具有熔点低、沸点高、比热容大和导热性好等优点，曾被作为快中子堆冷却剂的候选材料。目前，只有液态金属钠在世界各国的快中子堆上得到过或仍在得到实用。3由于快中子堆堆芯功率密度比压水堆的高，使用液态金属钠可获得很大的对流传热系数，达到客观的热流密度；其次，因钠的相对密度小于1，使冷却剂消耗的即送功率只占输出功率的很小一部分，与氦冷却剂相比较突显出了优越性，其三，钠与燃料包壳材料——不锈钢的相容性很好，虽然已发现有质量迁移问题，但对包壳耗蚀量仅为数十微米。得益于上述优点，液态金属钠及其合金冷却剂在核工业中拥有巨大潜力。

除了快中子反应堆冷却剂以外，其他类型的液态金属冷却剂也应用在不同种类的核反应堆当中，如铅铋合金应用于加速器驱动次临界反应堆中，成为反应堆冷却剂及散裂主要候选材料之一。2

芯片散热

近年来,高集成度计算机芯片、光电器件等引发的热障问题，已成为制约其持续发展的技术瓶颈之一。特别是计算机、光电芯片一直朝着提高集成度、减小尺寸及增加时钟频率的趋势发展，“热障”问题因此日益严峻。

金属一般具有远高于非金属材料的热导率，因而在一些特殊场合具有重要用途。而计算机一般工作在0°以上，80°以下，若能在这一温度区内将液体金属作为冷却流体，则可产生很好的散热性能。正是基于上述考虑，中国科学院理化技术研究所刘静研究员和周一欣研究员于2002年首次提出一种以低熔点金属或其合金作为流动工质的计算机芯片冷却方法。4

作为一种同时兼有高效导热和对流散热特性的技术，液态金属散热将有望成为新一代比较理想的超高功率密度热传输技术之一。并有可能打破许多光电子芯片器件使用上的技术瓶颈。1