液態金屬冷卻劑是指由低熔點鹼金屬（如Na、K、Li）和低熔點合金（如Pb-Bi）等構成的一種冷卻介質，其具有比熱容和熱導率大、熔點低沸點高的特點，常見的液態金屬冷卻劑有鈉鉀合金、鉛鉍合金和鎵銦合金等。目前主要套用於核反應堆冷卻、計算機晶片散熱等領域。
| 中文名稱 | 液態金屬冷卻劑 |
| 英文名稱 | liquid metal coolant |
| 定 義 | 使用形態為液態的金屬冷卻劑。可用的有液態鈉(Na)、液態Na-K合金和液態鋰(Li)。 |
| 套用學科 | 材料科學技術（一級學科），金屬材料（二級學科），特殊用途金屬材料（三級學科），裂變堆及聚變堆材料（四級學科） |
基本介紹
- 中文名：液態金屬冷卻劑
- 外文名：Liquid metal coolant
- 性質特點：比熱容和熱導率大、熔點低沸點高
- 主要缺點：可能存在的高溫腐蝕現象
- 常見類型：鈉鉀合金、鉛鉍合金、鎵銦合金
- 套用領域：核反應堆冷卻、計算機晶片散熱
性質特點,常見種類,套用領域,
性質特點
液態金屬冷卻劑主要由低熔點鹼金屬（如Na、K、Li）和低熔點合金（如Pb-Bi）等構成，其普遍具有熔點低、沸點高、比熱容大和導熱性好的特點，且在常溫下具有流動性，但是一般液態金屬對於金屬材料具有一定的腐蝕性。
常見種類
鈉鉀合金
液態鈉常用作快中子核反應堆中的換熱介質，其熔點為97.8℃，且液態鈉具有極高的熱導率，比如在100℃的導熱係數為86.9W/m·K，液態鉀的導熱係數略低於液態鈉。液態鈉和液態鉀可以以任意比混溶，共晶NaK合金的熔點為-12.65 ± 0.01℃。鈉、鉀或鈉鉀合金化學性質都比較活潑，在空氣中會被迅速氧化,在水中會發生劇烈燃燒。正是因為安全因素，在非密閉空間套用不多，其主要優點在於換熱性能好且價格便宜。
鉛鉍合金
液態鉛秘共晶合金已成為加速器驅動次臨界反應堆冷卻劑及散裂主要候選材料之一。其優點主要包括以下內容：1）良好的中子學性能，在相同的質子束功率下，可獲得比固態鎢靶更高的中子通量密度；2）鉛秘合金共晶體的溶點低，只有125.5℃，靶系統可以在低的溫度與壓力下運行，減少了反應堆和靶設計的實現難度和高溫高壓運行帶來的安全隱患；3）導熱性能優異，載熱能力強，傳熱迅速；4）堆運行溫度下，鉛秘合金飽和蒸汽壓低，可減少鉛秘的蒸發與沉積引發的系統控制和維修問題；5）中子福照損傷小；6）鉛秘合金在堆運行狀況下，與空氣和水呈化學惰性，不會發生劇烈反應，可大大降低因冷卻劑泄露造成的化學起火與爆炸的可能性。
鎵銦合金
鎵是柔軟的銀白色金屬,它在大氣環境下的熔點很低，僅為29.77°,在熔點時的導熱係數為29.4W/m·K，遠高於空氣和水。這些熱特性表明將鎵作為晶片散熱用的冷卻介質是十分合適的，目前較為成熟的液態金屬鎵冷卻技術是採用鎵銦合金作為計算機散熱器中的冷卻介質。
套用領域
核工業
核反應堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應堆堆芯，並將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應堆的工作介質，也稱載熱劑。核反應堆是一種控制發熱型裝置，因為核裂變沒有溫度上限，為維持一定的溫度，必須採取可控冷卻措施，因此，冷卻劑的作用是非常重要的。為了在儘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，冷卻劑應選用具有適當物理性質，如比熱容和熱導率大、熔點低、沸點高的物質。
低熔點鹼金屬（如Na、K、Li）和低熔點合金（如Pb-Bi）等液態金屬因具有熔點低、沸點高、比熱容大和導熱性好等優點，曾被作為快中子堆冷卻劑的候選材料。目前，只有液態金屬鈉在世界各國的快中子堆上得到過或仍在得到實用。由於快中子堆堆芯功率密度比壓水堆的高，使用液態金屬鈉可獲得很大的對流傳熱係數，達到客觀的熱流密度；其次，因鈉的相對密度小於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越性，其三，鈉與燃料包殼材料——不鏽鋼的相容性很好，雖然已發現有質量遷移問題，但對包殼耗蝕量僅為數十微米。得益於上述優點，液態金屬鈉及其合金冷卻劑在核工業中擁有巨大潛力。
除了快中子反應堆冷卻劑以外，其他類型的液態金屬冷卻劑也套用在不同種類的核反應堆當中，如鉛鉍合金套用於加速器驅動次臨界反應堆中，成為反應堆冷卻劑及散裂主要候選材料之一。
快中子反應堆晶片散熱
近年來,高集成度計算機晶片、光電器件等引發的熱障問題，已成為制約其持續發展的技術瓶頸之一。特別是計算機、光電晶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展，“熱障”問題因此日益嚴峻。
金屬一般具有遠高於非金屬材料的熱導率，因而在一些特殊場合具有重要用途。而計算機一般工作在0°以上，80°以下，若能在這一溫度區內將液體金屬作為冷卻流體，則可產生很好的散熱性能。正是基於上述考慮，中國科學院理化技術研究所劉靜研究員和周一欣研究員於2002年首次提出一種以低熔點金屬或其合金作為流動工質的計算機晶片冷卻方法。
作為一種同時兼有高效導熱和對流散熱特性的技術，液態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之一。並有可能打破許多光電子晶片器件使用上的技術瓶頸。
液態金屬晶片散熱