金属铁和镍中氦缺陷性质的理论研究

采用投影缀加波赝势和广义梯度近似方法分别计算了体心立方结构金属铁和面心立方结构镍中3种氦缺陷形成能及态密度分布。计算结果表明,以上两种金属的置换氦缺陷最稳定,其次是四面体间隙氦缺陷,八面体间隙氦缺陷最不稳定。分析表明,金属铁和镍中氦缺陷稳定性并不是由缺陷的弹性畸变决定的,而是由缺陷氦原子与其最邻近金属原子之间的电子相互作用决定的。     

体心立方钨和铁中 氦泡生长机制模拟研究进展

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中.辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响.本文通过综合分析文献中关于通过第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗方法对氦泡形核和生长机制,比较了不同模拟条件下氦泡的演化机制.分析表明...     

PdY净化器的氢氦分离性能

对PdY净化器及传统净化器的透氢速率和氢氦分离性能进行了研究,结果表明:PdY净化器透氢速率随压差的增大而增大,压差在0.004~0.04 MPa的范围内,其透氢速率约为传统净化器的3倍;而采用PdY净化器进行氢氦分离时,可显著缩短氢氦分离时间。经过长时间循环分离后,3种组分的氢氦混合气均得到了较好的分离,氦气中氢气体积分数均降至0.03%。     

基于双塔式氢氦/氚氦混合气的快速分离技术

氢氦/氚氦混合气快速高效地分离与回收是产氚工艺的关键技术之一。利用液氮温度下吸附剂对氢同位素与氦吸附能力的差异,搭建了双塔式固定床低温吸附-解吸分离氢氦/氚氦的实验装置,通过该实验装置开展了不同组成的氢氦、氚氦混合气的分离实验。实验结果表明:采用双塔式固定床低温吸附-解吸法可以实现不同组成的氢氦、氚氦混合气的快速分离,分离后氦中氢的体积分数低于1.2×10-5,氦的纯度可达到99.998 8%,吸附柱的脱氚率大于97%;双塔式固定床低温吸附-解吸法的解吸氢中含有较高浓度的氦,不适于回收氢;在氚氦分离中采用固定床低温吸附柱是可行的,可作为钯膜分离器的辅助单元。     

胶体模型与金属中点缺陷的研究

在用胶体模型的密度泛函理论方法系统地计算金属Ａｌ中的点缺陷和类点缺陷电子结构的基础上，参照有关的实验资料进行比较，探讨了胶体模型方法的可靠性、局限性及对其局限性的修正方法。分析比较了胶体模型、Ｐｕｓｋａ的无相互作用原子模型、ＦＬＡＰＷ等常见的密度泛函理论计算方案，探讨了各自的利弊。得出了胶体模型方法对于研究金属中的小微空洞（平均半径小于４ｎｍ）是一种有效、简捷的近似计算方法的结论。     

氢氦在钨中的影响的第一性原理研究

采用PBE形式的广义梯度近似(GGA)的第一性原理计算方法研究了氢或氦在钨中产生点缺陷的形成能以及缺陷形成后对钨的弹性的影响;采用同样的方法研究了空位和自间隙原子这两种缺陷。经计算发现:氢氦掺杂在钨的晶体结构中会引起晶体体积的变化,其变化结果跟掺杂的位置有关,在四面体或八面体处的掺杂会使晶体体积增加,替位掺杂会引起晶体体积减小;从形成能来看,氢掺杂在钨中最占优的位置是四面体处,而氦最占优的则是替位掺杂。在几种缺陷中,形成能最小的是氢的四面体掺杂,形成能最大的则是钨的自间隙原子形成;钨中若含有氢或氦的点缺陷,晶体的体弹模量和剪切模量会发生改变,当钨中含有氢替位或自间隙原子时晶体会向塑性改变,含有其他点缺陷时晶体会沿着脆性方向转变。但总体来说带有缺陷的钨仍然具有延展性。值得注意的是,氢或氦在钨中会引起晶体的各向异性,其具体结果与缺陷所处位置相关,只有缺陷属于替位时才不会发生各向异性。本文的研究工作可为第一壁材料的开发提供理论参考。     

氢对Ni3Al合金中微观缺陷的影响

对二元Ｎｉ３Ａｌ和含０．５２ａｔ．％的Ｎｉ３Ａｌ合金样品进行电解充氢，并测量其ｅ＾＋寿命谱。结果可见，ｅ＾＋在合金缺陷中的寿命最初随充氢时间的增加而下降，随后达到一个最小值，接着随充氢时间的增加而增加。含０．５２ａｔ．％Ｂ的Ｎｉ３Ａｌ合金比二元Ｎｉ３Ａｌ合金的氢效应程度小，这说明加入少量的硼可提高Ｎｉ３Ａｌ合金的抗氢能力。     

氦-氙混合气体物性对布雷顿循环影响分析

将对应态原理用于Chapman-Enskog理论修正,得到的半经验公式可较好地预测二元惰性混合气体物性。采用Fortran 95开发了氦-氙混合气体物性计算程序,分析了氦-氙混合气体物性随摩尔质量、温度、压力的变化关系。在此基础上分析了物性变化对空间布雷顿循环的绝热系数、对流换热性能、阻力特性的影响。结果表明：压力为2.0 MPa、温度为400 K时,随着摩尔质量的增加,氦-氙混合气体的绝热系数由0.40（纯氦气）增加到0.44（纯氙气）;混合气体相对于纯氦气的相对对流换热系数随摩尔质量的增加呈先增大后减小的趋势,在15 g/mol附近取得极大值;相对压损系数则随摩尔质量的增加单调递增。分析结果可为氦-氙混合气体在空间核反应堆电源中的应用提供设计依据。     

金属中氦泡对背散射分析能谱的影响

分别从理论和实验上研究了钛镆中氦泡演化对离子束背散射能谱(RBS)的影响。理论分析表明能谱的展宽除了受材料的能量阻止和多重散射效果及实验系统特性的影响外,氦泡也是一个重要的影响因素。理论上,当由离子束分析给出氦泡占材料的体积分数及氦泡引起的能散时,可计算出氦泡的尺寸和密度。实验结果显示了含氦钛镆RBS谱后沿随着氦浓度和退火温度的升高逐渐展宽,表明随着氦泡尺寸和浓度的变大,离子束分析能谱也不断展宽。这使在考虑了材料中氦泡的影响后,离子束分析能真实地反映材料的性质,同时也可从离子束分析得出材料中氦泡的演化信息。     

Zn原子位置对ZnO晶体电子结构的影响

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了Zn原子位置对ZnO电子结构的影响.Zn的位置变化导致ZnO晶体发生晶格畸变,使电子结构发生变化;能带结构、能态密度(DOS)、电子密度、Mulliken布居等计算结果分析表明:Zn原子位置在z轴方向改变后使得Zn-O键长缩短,Zn的3d电子与O原子的2p电子在-8.0～-0.5 eV区域的杂化作用加强,导致O原子的部分2p电子向低能方向移动,带隙展宽.     

Investigation on Retention and Release Behaviors of Hydrogen and Helium in Vanadium Alloy

Vanadium alloy is proposed as an attractive candidate for first wall and blanket structural material of fusion reactors. The retention and release behaviors of hydrogen and helium in vanadium alloy may be an important issue. In the present work, 1.7 keV deuterium and 5 keV helium ions are respectively implanted into V-4Cr-4Ti and V-4Ti at room temperature. The retention and release of deuterium and helium are measured with thermal desorption spectroscopy (TDS). When the helium ion fluence is larger than 3 ×1017 He/cm2, the retained helium saturates with a value of approximately 2.5 ×1017 He/cm2. However, when the ion fluence is 1×1019 D/cm2, the hydrogen saturation in vanadium alloy does not take place. Experimental results indicates that hydrogen and helium retention in vanadium alloy may lead to serious problems and special attention should be paid when it is applied to fusion reactors.     

氦中痕量H2、D2组分的高精度气相色谱分析

为满足聚变堆氘氚燃料循环工艺气体中痕量氢同位素组分的特殊检测分析要求,需建立快速、高精度的在线分析方法。针对氦中痕量H₂、D₂组分,本工作以高纯氦为载气,在液氮温度下,使用自制改性Al₂O₃毛细管柱进行分离,放电氦离子化检测器进行检测。结果显示,氢氘组分的检测限不高于1×10^-8,保留时间不高于180 s,氢氘组分色谱峰峰面积响应值的相对标准偏差不大于1.0%,分离度大于1.0。本方法具有分析灵敏、快速的优点,为聚变堆包层在氘氚燃料注入系统和氢同位素分离系统中微量氚的安全分析与精确计量提供了一种有效的测量技术。     

Molecular Statics Simulation of Hydrogen Defect Interaction in Tungsten

Hydrogen(H) defect interactions have been investigated by molecular statics simulations in tungsten(W),including H-H interactions and interactions between H and W selfinterstitial atoms.The interactions between H and small H-vacancy clusters are also demonstrated;the binding energies of an H,a vacancy and a self-interstitial W to an H-vacancy cluster depend on the H-to-vacancy ratio.We conclude that H bubble formation needs a high concentration of H in W for the H bubble nucleation and growth,which are also governed by the H-to-vacancy ratio of the cluster.The vacancy first combines with H atoms and a cluster forms,then the H-vacancy cluster goes through the whole process of vacancy capture,H capture,and vacancy capture again,and as a result the H-vacancy cluster grows larger and larger.Finally,the H bubble forms.     

10MW高温气冷堆90°弯头内氦气流动特性分析

为了在10MW高温气冷堆中引入弯头传感器,通过实验和数值模拟的方法对90°弯头内流体的流动特性进行了研究,以实验获得的弯头内弧面和外弧面上的压力分布数据来对CFD模型计算的可信性进行评估,并应用验证后的CFD模型对高温气冷堆蒸汽发生器内90°弯头处氦气的流动特性进行数值模拟。通过对比实验数据和CFD模拟结果发现,实验结果与数值模拟结果基本趋于一致,90°弯头内、外弧面的压力呈现明显的不均匀分布现象,在弯曲角度α=30°~50°之间,内、外弧面的压力差达到最大值并持续保持一段位置,k-ω模型能用于预测10 MW高温气冷堆蒸汽发生器内90°弯头处氦气的流动特性。     

氦离子辐照烧结碳化硅损伤效应研究

利用中国科学院近代物理研究所320 kV高压平台提供的氦离子辐照烧结碳化硅,辐照温度从室温到1 000 ℃,辐照注量为1015~1017 cm-2。辐照完成后,进行退火处理,然后开展透射电子显微镜、拉曼光谱、纳米硬度和热导率测试。研究发现,烧结碳化硅中氦泡形核阈值注量低于单晶碳化硅。同时,氦泡形貌和尺寸与辐照温度、退火温度有关。另外,对辐照产生的晶格缺陷、元素偏析进行了研究。结果表明,辐照产生了大量的缺陷团簇,同时氦泡生长也会发射间隙子,在氦泡周围形成间隙型位错环。在晶界处,容易发生碳原子聚集。辐照导致材料先发生硬化而后发生软化,且热导率降低。     

Damage Characteristics of TiD2 Films Irradiated by a Mixed Pulsed Beam of Titanium and Hydrogen Ions

Titanium deuteride is an important nuclear material used in the field of nuclear technology, and further research is needed into TiD_2 films irradiated by pulsed ion beams of the vacuum arc discharge with hydrogen. In the current study, these irradiated TiD_2 films have been investigated using scanning electronic microscopy and slow positron annihilation techniques. Both the thermal effect and irradiation defects of TiD_2 films were studied, following their irradiation with mixed pulsed ion beams of titanium and hydrogen ions. It is found that the thermal effect is trivial on the irradiated surfaces, and the dominant effect is irradiation defects which can be enhanced by repetitive shots and is characterized by the inner diffusion of irradiation defects.     

钨/铜界面处氢原子与空位相互作用的第一性原理计算

钨/铜界面是聚变堆偏滤器的重要连接界面,在高热流密度和强中子辐照下会成为氢同位素渗透滞留的高速通道和捕获陷阱。本文利用第一性原理方法研究了钨/铜界面处氢原子与点缺陷的相互作用,考察了氢原子的滞留行为和空位在界面处的形成行为,分析了氢原子的优先占据位置及氢原子与空位的作用机理。结果表明：在钨/铜界面中,氢原子稳定存在于钨/铜界面中间及铜晶格中;对于空位,界面附近的铜空位不稳定,会自发移动到钨/铜界面的顶端表面,而钨空位相对稳定存在;相比于铜空位,钨空位吸引氢原子的能力更强。氢原子的存在会抑制铜空位的迁移现象,从而可能形成氢泡。