LaNi5合金长期贮氚的老化效应

为探究金属氚化物老化效应的机理，利用一个装载氘氚老化了2140天的LaNi5床开展实验研究，LaNi5合金贮氘氚2140天后能将几乎所有的衰变^3He保留在晶格内，从氘化物的解吸等温线中可以观察到显著的氚老化效应：（1）等温解吸线右移；（2）坪斜增加；（3）可逆容量减少；（4）被称为“渣”（heel）的深捕陷氢同位素的形成，实验发现，当衰变^3He在1230K高温消除后，这些老化效应完全消失，这就为氚老化效应的氦致机理提供了一个直接的证据。     

用氢同位素估算氚在熔盐堆结构材料中的渗透

熔盐堆产生的氚在高温下透过结构材料管壁进入大气环境。为降低此危害,研究氚在堆结构材料中的渗透过程十分必要。针对熔盐堆常用的结构材料Hastelloy N、GH3535、Hastelloy C230、Hastelloy C276,本研究采用压力差驱动法,在400-700 oC和5-40 k Pa的试验条件下,获得了氕、氘的渗透系数,并初步估算氚在该结构材料中的渗透。结果表明:氕、氘在镍基合金中的渗透通量与气体压力的平方根成正比,渗透系数随温度增大,与温度倒数的关系符合阿伦尼乌斯公式;氕、氘在成分相似的GH3535和Hastelloy N中渗透系数接近,与其它两种合金材料中渗透系数都在一个数量级内,在相同温度下两者渗透系数比值接近1.4,符合经典扩散理论;在400-700 oC内,氚在4种镍金合金中渗透过程的指前因子为1.1×10-7-1.6×10-7 mol·m-1·s-1·Pa-1/2,活化能为59-62 k J·mol-1。     

氘氚燃料气体氕纯化系统设计及工艺初探

在惯性约束聚变氘氚冷冻靶制备中,对氘氚原料气中氕含量有严格限制。为控制少量燃料中氕含量,有必要开展相关氢同位素分离研究及工程研制。根据热循环吸附(Thermal Cycling Absorption Process,TCAP)原理及前期冷实验数据,研制了一套小型纯化热实验系统。系统内配置了一根长2 m、外径6.4 mm的钯/硅藻土填充柱用于对氕的过滤。按照纯化工艺设计,占总吸附量10%的原料气从填充柱一端输入,经过一次加热冷却循环后从柱另一端输出,氕在色谱柱内累积,进而实现原料气的纯化。经过纯化工艺初步探索,连续输入33次原料气后,柱内氕含量由12%累积到了52%,产品气中氕含量由12%降至3%,氘氚燃料回收率为82.5%,实现了柱内氕的有效富集,以及氘氚气体中氕的有效过滤。     

钛吸氕、氘和氚的热力学同位素效应

在金属氢化物热力学及动力学测试系统上测定了钛吸收氕、氘和氚单质气体的压力-组成等温线(p-c-T曲线),并根据范德荷夫方程得到了钛吸收氕、氘和氚形成不同物相时的热力学参数△H^0和△S^0。实验证明,钛吸收氕、氘和氚单质气体时有显著的热力学同位素效应,在相同温度、相同原子比下,吸气平衡压力从低到高依次是氕、氘和氚,但其反应焓变和熵变从小到大依次是氚、氘和氕。     

氚在RAFM钢中的渗透

采用气相渗透方法，开展了国产低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢?）之一的CLAM钢的氚渗透实验，研究了影响渗透的关键因素，建立了可靠的实验方法。在573~823?K温度范围内，得出氚的渗透率F_T为2.57×10-8exp(-38639/RT)，氚溶解度S_T为2.2×10-1exp(-38639/RT)，扩散系数D_T?为1.17×10-7exp(-22011/RT)。另外，氘氚混合渗透时存在明显的正同位素效应，在实验温度范围内，推导得出的氘氚渗透分离系数α_DT为1.42，氕氚渗透分离系数α_HT为3.76。      

LaNi_(4.25)Al_(0.75)吸氕、氘、氚热力学同位素效应

采用自制的全金属氢化物吸放氢实验装置,恒温等容条件下测定LaNi_(4.25)Al_(0.75)材料吸氕、氘、氚单质气体的压力-组成等温线(P-C-T曲线),并根据Van’t Hoff(范特霍夫)方程得到LaNi_(4.25)Al_(0.75)吸氕、氘、氚形成氢化物相的热力学参数焓变ΔH分别为:-44.5、-45.0、-47.1kJ·mol-1,熵变ΔS分别为:-118.0、-121.8、-127.5J·mol~(-1)·K~(-1)。结果表明:LaNi_(4.25)Al_(0.75)材料吸收氕、氘、氚单质气体,在温度较低时,同位素效应不明显;温度高于100℃时,热力学同位素效应显著。相同温度、吸气容量条件下,吸气平衡压力从低到高依次是氕、氘和氚,其反应焓变和熵变从小到大依次是氚、氘和氕。结果表明,LaNiAl合金吸氢的热力学同位素效应依赖于温度的变化。     

Ti-Mo合金吸氢动力学的同位素效应

为寻找一种价格低廉、分离性能优良的氢同位素分离材料来替代金属Pd,对Ti-Mo合金的氢同位素效应进行研究。采用磁悬浮熔炼方法制备5种不同组成的TiMox（x=0.03、0.13、0.25、0.50、1.00,Mo/Ti原子比）固溶体合金,用定容变压法测试了250～650℃范围内的吸氘动力学性能。结合前期吸氕动力学的研究结果可知,在250～650℃范围内,合金的平衡吸氕量略大于合金的平衡吸氘量。Mo含量小于1.00,在低温（250～450℃）下,合金的吸氘表观活化能均为负值。高温（450～650℃）下,合金的吸氘表观活化能大于吸氕表观活化能,与钛吸氢同位素动力学效应保持一致。     

S22合金钢的氘扩散渗透行为

在分别采用光学显微镜和辉光放电光谱仪获得S22合金钢的金相显微组织和元素成分的基础上,利用已经过氘渗透速率定量标定的渗透实验装置,研究了S22合金钢在400~600℃下的氘扩散渗透行为,得到了氘在S22合金钢中的渗透率和扩散系数。对比分析了500℃时纯D2和He+1%D2下S22合金钢的氘渗透数据,结果表明,随氘分压的降低,氘在S22合金钢中的扩散渗透孕育期增加,氘渗透速率降低,但即使在较低氘分压下依然有氘渗透现象。该结果可为高温气冷堆、快堆等先进反应堆在使用S22合金钢时进行必要的氚渗透防护及其安全分析提供理论与数据支持。     

LaNi_(4.7)Al_(0.3)合金贮氘氚后的老化效应

将氘氚装载到LaNi4.7Al0.3合金样品中并在室温下贮存480d或1120d，发现LaNi4.7Al0.3合金贮合金几乎能保留所有的衰变子体氦－3。通过氘氚化物的解吸等温线，观察到该合金存在显著的氚老化效应；坪压降低，坪斜增加，可逆容量减少及被称为“渣”（heel）的深捕陷氢同位素形成。实验还发现623K下除气可以部分消除这些老化效应。     

Ti-Mo合金氢化物放氢动力学同位素效应研究

在高真空金属系统中,采用非零初压热解析方法研究了钛钼合金TiMox（x=0.03, 0.13, 0.25, 0.50, 1.00, 原子比）氘化物的热解析动力学,测试了氘解析量c随时间t的变化关系,应用反应速率分析方法得到了热解析速率常数kd和热解析表观活化能Ed ,合金氘化物Ed依次为46.6, 22.4, 13.7, 17.1, 10.4kJ.mol-1。比较氕化物的热解析动力学行为,Mo含量小于0.03时,合金氕化物Ed小于氘合金化物Ed,与钛放氢动力学同位素效应保持一致。Mo含量在0.13 ~ 0.25时,氕化物Ed大于氘化物Ed,Mo含量大于0.50时,氕,氘化物Ed 差别不大。通过初始解析时合金中氕,氘含量的比较,结合室温下合金吸氕,氘量,对合金放氢动力学同位素效应的本质进行了探讨。     

LaNiAl材料储氚老化氚踵特性

采用研制的全金属吸放氚系统,恒温等容条件下,针对LaNiAl系列储氚材料,测定了储氚老化300、1 000、1 200d左右吸放氚等温解吸曲线(PCT特性曲线)、氚踵特性,并开展了氚踵的氢排代回收工艺研究。测试结果表明:随着老化时间的延长,LaNiAl材料均表现出明显的氚老化特性:吸放氚PCT特效曲线改变,坪台压降低,坪斜增大,可逆吸放氚容量减少,氚踵逐渐形成并升高。建立了氚踵数学模型,并与美国氚老化测试结果进行了对比。氢氚排代置换实验研究结果表明:经过10次氢排代置换氚,材料中残余氚量从氚金属原子比(T/M)=0.128 27降低到0.000 02,几乎可全部回收合金中氚。     

Characteristic of Two-phase Slanting Flow in Rod Bundle

Palladium membrane has been studied for sepration and purification of hydrogen isotopes because of its large permeability. In order to consider permeation of mixture of hydrogen isotopes, solubilities of protium and deuterium in palladium were studied in the temperature range of room temperature to 500°C using breakthrough method. It was observed that solubilities were represented by Sieverts' law and that the separation factor of protium-deuterium binary system was different from the isotope effect ratio. The ideal adsorbed solution theory by Myers and Prausnitz can be applied to estimate the separation factor of protium-deuterium binary system in palladium using the isotope effect ratio observed when protium and deuterium are handled independently. The permeation behavior of multi component hydrogen isotopes through palladium membrane is discussed applying observation on solubilities of this work.     

LaNi_(4.9)Al_(0.1)D_x去氘化动力学性能的氚老化效应

测定了不同材料的LaNi4.9Al0.1Dx去氘化动力不数，评价了Chuan老化对LaNi4.9Al0.1Dx去氘化动力学性能的影响。研究结果表明，反应速率常数随老化时间的延长而降低；Chuan老化不改变LaNi4.9Al0.1Dx去氘化的反应级数；支氘化反应级数a（由氘压决定）和b（由氘浓度决定）分别为0．5和1；活化能随老化时间的延长而增加，老化1120d，速率常数降低了2个数量级，活化能约增加30％。     

CLAM钢中氕氘的渗透与去除

低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）是聚变堆产氚包层的优选结构材料。氢同位素在结构材料中的扩散渗透特性关系到产氚回收率、燃料循环及运行安全。本工作对国内研发RAFM钢之一的CLAM钢进行了气体驱动的氘渗透实验,得到573～873 K温度范围内氘的宏观溶解度S（mol/(m³•Pa^0.5)）为0.264exp(-22 447/RT),扩散系数D（m²/s）为1.38×10^-7exp(-17 271/RT),渗透率Φ（mol/(m•s•Pa^0.5)）为3.64×10^-8exp(-39 718/RT)。还进行了氕氘气体混合物的渗透实验,确认了渗透同位素效应;探索了钢中溶解氘的真空热释放去除。     

The effect of coatings on deuterium retention and permeation in aluminum 6061-T6 APT tritium production tubes

The accelerator production of tritium project will utilize spallation neutrons incident on thousands of ³He gas filled metal tubes to produce tritium by way of the exothermic ³He(n,p)³H reaction. Tritons with energies up to 192 keV and protons with energies up to 576 keV are directly implanted into the tube walls. To minimize tritium retention in the tubes and permeation into the coolant surrounding the tubes, it is desirable to have the implanted tritium migrate back to the inner surface of the tubes and rapidly recombine to be released as T₂ and HT. Aluminum alloy (Al 6061-T6) is the primary candidate material for fabrication of the tubes. Aluminum alloy samples implanted with deuterons and protons to fluences as high as 3×10²² D (and p)/m² were studied. Deuterium retention was measured by mass spectrometry during thermal desorption. Approximately 10% of the implanted deuterium was retained. Copper, nickel and anodized coatings on aluminum alloy were studied as possible methods of reducing retention and permeation of the tritium. In these experiments, the Cu and Ni coatings reduced the retention significantly, whereas retention increased in the anodized coated sample.     

利用X射线衍射技术分析LaNi5氚老化效应

利用覆膜法对长期贮存氚的LaNi_5进行了XRD分析.经过实验发现,老化后的LaNi_5的谱峰比新鲜的LaNi_5存在明显的展宽,而经过高温除He处理后,又恢复到新鲜的LaNi_5水准,氚衰变形成的~3He在晶格中居留并在其中形成部分位错亚结构,这可能是导致LaNi_5 XRD衍射峰宽化的主要原因.