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。     

氢同位素催化交换过程影响因素研究

氢-水催化交换反应是研究氢同位素分离的重要手段,对反应过程中各影响因素的研究是氢同位素分离工作中的重要内容。在自行设计的不锈钢催化交换柱中,装填一定体积比的疏水催化剂与亲水填料,进行H-D体系气液催化交换实验。观察反应温度、气液摩尔比、不同原料水氘浓度对传质系数的影响,讨论了气体流速对床层压力降的影响情况。结果表明,不同气液比下,反应温度为45°C时传质系数最高。传质系数随原料水氘浓度(5.05 20.1)×10 3增加而降低,传质系数在0.58 1.17和2.65 3.56随着气液摩尔比而增加,催化交换柱床层压力降随气体流速而增加。研究发现,反应温度、气液摩尔比和氘浓度等因素均会影响氘的传质系数。     

H-D体系的低温精馏分离实验研究

在自制低温精馏氢同位素装置上进行了H-D分离的初步实验.结果表明,以D/H比为1.4×10-4的氢气为原料,进料流量5 mol/h,运行120h后,再沸器的D/H比达1.27×10-2;增加原料气氘浓度,其浓集效果明显提高.随着再沸器中氘浓度增加,柱顶氘浓度增加,脱氘率降低.全回流实验下,再沸器加热功率增加,脱氘率增加,但造成柱压力明显增加.为控制精馏过程操作压力,选择适当的再沸器加热功率是必要的.     

利用D-D核反应对氘在钯中沉积行为的研究

氢同位素在钯中的沉积行为与它在钯靶中的溶解度、扩散速率以及缺陷的束缚有关。为研究氘离子在钯中的沉积行为,利用氘离子诱发D-D核反应的方法研究了氘在钯中的动态和静态浓度,并建立扩散模型对实验结果进行了分析。研究发现,除稳定束缚在缺陷中的氘之外,束流注入时动态氘浓度还包含自由扩散的氘以及非稳定束缚态氘;自由扩散的氘以及非稳定束缚态氘随着氘离子的注入而增加,当注入达到饱和后,这两部分氘浓度处于动态平衡状态,停束后将迅速减少直至消失;由于辐照损伤所造成的缺陷存在饱和值,稳定束缚在缺陷中的静态氘浓度为x=(0.42±0.03)%;结合模拟计算,发现钯的缺陷对氢同位素的吸附系数、解吸附系数及其比值k_A/k_D与材料损伤特性及氢同位素的注入方式有关。     

Ti-Mo储氢合金氘化物的中子衍射研究

Ti-Mo储氢合金合金是一种重要的氚靶材料,但其吸氢后的晶体结构变化还未见报道。由于氢的原子序系数很小,X射线衍射方法不易观察。而氢(氘、氚)的相干中子散射长度很大,中子对     

基于激光诱导击穿光谱的氢同位素定量分析技术研究

激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）技术是对材料中元素的组成成分和含量进行测试和分析的一种新技术。针对储氢材料中氢同位素的含量及分布问题,开展了LIBS定量分析技术应用研究。采用体材钛片材料,分别制得不同氢氘原子浓度的氢氘化钛样品,利用LIBS对氢氘化钛样品中氢原子和氘原子含量进行了定量分析。钛元素的发射光谱谱线结合玻尔兹曼图计算得到了等离子体温度为（16 000±1 000） K。利用内定标法,对分别绘制的氢、氘的定标曲线进行积分强度修正,成功地把线性度提高了4%,氢同位素定量分析误差降低了2.8%;同时,根据定标曲线,计算出了相同条件下的氢氘浓度,并与样品制备过程通过压降法得到的浓度值进行了对比。结果显示：采用内定标法的LIBS定量分析技术能够较准确地测量含氢同位素样品的氢氘浓度,氢平均测量误差为3.19%,氘测量平均误差为1.94%,其信号增强效果和数据精确度能够满足定量分析的要求。     

Ti—Mo合金氘化物热解吸过程研究

采用非零初压热解吸法研究了不同钼含量的钛钼合金TiMo_x(x=0.03、0.13、0.25、0.50、1.00,Mo与Ti原子数之比)氘化物的热解吸动力学,测试了氘解吸量与解吸时间的关系,应用反应速率分析方法得到了其热解吸速率常数k_d和热解吸表观活化能E_d;并与氕化物的热解吸动力学行为进行了比较。结果显示,x=0.03时,合金氕化物E_d小于氘合金化物E_d,与钛放氢动力学同位素效应一致;x=0.13、0.25时,氕化物E_d大于氘化物E_d;x=0.50、1.00时,氕化物与氘化物的E_d差别不大。通过初始解吸时合金中氕、氘含量的比较,结合室温下合金吸氕、氘量及物相结构,对合金放氢动力学同位素效应的本质进行了探讨。     

Mo含量对Ti-Mo合金氢同位素效应的影响

采用磁悬浮熔炼法制备了固溶体合金TiMox（x=0．03、0．13、0．25、0．50、1．00,x为Mo与Ti原子数之比）,经活化后与H—D混合气（D原子占50％）反应,反应平衡后用质谱分析气相中H和D的含量。根据反应前气相中H和D的含量,由质量守恒定律求得固相中H和D的含量。根据气、固两相中的氕氘原子数之比（D／H）,由公式α（H-D]=（ED3／[H]）（目目）／（ED3／[H]）（气相）计算得到H-D分离因子α（H-D）。结果表明：20℃下,x0．03～1．00时,α（H-D）〉1．00,合金氢化物表现为正同位素效应。随着Mo含量的增加,α（H—D）由1．04增加到1．27;x〉0．50时,α（H-D）基本保持不变。2／7—0．03时α（H-D）≈1．00,合金表现为零同位素效应。根据以前热分析实验结果,TiMo0.03吸氢后析出大量负同位素效应的TiH2,并有少量正同位素效应的Ti—Mo合金氢化物,零同位素效应是两者共同作用的结果。根据Mo含量和分离因子的关系,室温下H原子倾向于占据4Ti四面体间隙位置,而D原子倾向于占据能量较高的3TilMo四面体间隙位置。     

高温下GH3535合金中的氢同位素扩散渗透效应分析

Flibe具有熔点低、中子性能好、沸点高等特点,是未来大型氟盐冷却高温堆的主要候选氟盐冷却剂之一,在堆芯中与中子相互作用后会导致一定量的副产物氚产生。根据哈氏N合金的成分,钍基熔盐堆核能系统(TMSR)发展了GH3535合金,作为未来大型熔盐堆的主要候选结构材料。本实验中采用GH3535合金为试样,通过使用压力差驱动原理搭建的氢同位素扩散渗透装置,试验测得了400~800℃的温度下氢气、氘气在该合金中的渗透系数、扩散系数、Sieverts常数等主要参数。实验结果表明,氢气与氘气在GH3535合金中的扩散渗透机理均属于基体扩散控制过程,扩散渗透过程中氢气、氘气的主要参数与相应温度关系均符合阿累尼乌斯公式。对于不同质量数的氢同位素原子,拟合后渗透系数和扩散系数的指前因子之比分别为1.4:1和1.2:1,扩散和渗透过程中的激活能也非常接近,符合经典扩散理论的同位素效应,可以估算得到氚在GH3535合金中扩散渗透时的主要参数大约为氢的1/3(1/2),并可能用于氚在熔盐堆中的分布计算。     

低活化铁素体/马氏体钢CLF-1氢氘的渗透行为

低活化铁素体/马氏体钢(RA FM钢)作为聚变堆结构材料中最有前景的候选材料,其氢同位素渗透行为备受关注.采用氢同位素气相驱动渗透的方法,对中国低活化铁素体/马氏体钢CLF-1的氢同位素渗透行为进行了研究,研究了温度、气体压强、样品表面状态等因素对其渗透行为的影响.结果表明:氢、氘在RAFM CLF-1钢中渗透扩散过程...     

Study of the deuterated titanium Ti2Hx sample by using nuclear reaction analysis and material analysis methods

Titanium is one of the best hydrogen loading material.The predicted maximum loading ratio of hydrogen in titanium may reach to 2.0.In this work.a titanium layer on molydbenum substrate was deuterated with the atomic ratio X=^2H/Ti≥1.6,The change of the surface topography and microstructure of the sample before and after lading was observed by using Scan Electron Microscopy (SEM),The surface segregation of the samples after deuteron bombardment was also observed.A fluctuatingly-incrcasing trend of the deuterium density in titanium target was detected in the deuteron implantation experiments.which indicated a suddenly explosion(segregation)or fast diffusion of deuterium in the titanium.Significant amount of nitrogen contamination was found in the Ti^2Hx sample by nuclear reaction analysis(NRA),which indicated that the Ti^2Hx structure might have the feature to trap nitrogen from air.The nitrogen contamination in Ti^2Hx significantly affects the increase of the atomic ration X=^2H/Ti.     

吸附温度低于273 K的Pd/k柱TCAP全回流实验研究

为满足实验室规模的氢同位素分离需求,对少量氚（小于3.7×10¹³ Bq）的高效氢同位素分离方法进行了研究。采用TCAP全回流工艺,将钯/硅藻土（Pd/k）填充色谱柱（长2 m,外径6 mm）吸附H-D混合气体（D丰度为50%）的温度控制在273 K以下,经多次加热 冷却循环后,从分离柱前、后两端加热各提取15%样品气,利用低温色谱法对样品气进行氢同位素丰度分析,对色谱柱的分离性能进行评价。研究结果发现,原料气进入填充柱后（全回流之前）尾端提取气的氘丰度约为98.5%,经5个全回流循环（循环总时间为1.25 h）后,尾端提取气的氘丰度达99.9%。经15个全回流循环后,前端提取气的氘丰度由50%（原料气氘丰度）降至13.6%。通过实验数据对柱中氘分布进行了理论模拟,发现进样速率过快可能是导致前端提取气氘丰度过高的主要原因,柱中氘丰度最低点可能出现在色谱柱的中部。     

Deuterium trapping in deep traps of differently oriented pyrolytic graphite exposed to D2 gas at 1473 K

Due to their importance for tritium inventories in future DT fueled fusion machines, experimental data on H isotope diffusion, absorption and retention in deep traps (E_b ≅ 4.3 eV) of graphites exposed to hydrogen at elevated temperatures have been reviewed. Deuterium retention was studied in edge- and basal-oriented pyrolytic graphite (PG) and polycrystalline RG-Ti-91 damaged by irradiation with 200 keV carbon ions. Deuterium loading was done by soaking in D₂ gas at 1473 K, and the resulting D retention was measured by nuclear reaction analysis. The microstructure was studied by cross-sectional TEM, SEM and microprofilometry. The concentration of strong traps created by irradiation and estimated by the amount of accumulated deuterium was shown to saturate with the damage above ≈1 dpa at about 1000 appm. In non-damaged and damaged graphites deuterium diffuses via porous grain boundaries and along basal planes within crystallites, while its migration through the graphite lattice along the c direction was found to be negligible. Radiation modifications of PG retard deuterium diffusion and decrease the rate of its chemical erosion by a factor of five. The amount of deuterium accumulated in strong traps in graphites is mainly influenced by their macro- and microstructure, while the degree of graphitization seems to be less important. Derivations are made of the susceptibility of damaged graphites, in particular, CFCs to the retention of hydrogen isotopes in deep traps.     

SIMS对氘靶钛膜中氘的分布研究

用负的ＳＩＭＳ分析技术进行Ｈ同位素相对含量Ｔｉ膜深度变化的分析，获得了氘随膜深度变化的分布曲线。在接近膜表面的一个深度范围内，除有明显的Ｏ＾－、ＣＯ＾－和很微弱的ＯＨ＾－，ＯＤ＾－及ＣＨＯ＾－峰谱外，还有很大的Ｄ＾－二次离子质谱峰，氘的丰度估计约为９８％。在靶膜内部，氘的丰度达９９％以上。     

Tritium absorption of co-deposited carbon films

Co-deposited carbon film with different deuterium concentration, D/C, were exposed to tritium gas at the temperature of 423 K, and then the atomic ratio of absorbed tritium to carbon, T/C, was evaluated. The obtained data were discussed with crystal structure of the carbon film. The T/C increased with decreasing D/C of carbon film. The carbon film with low D/C had more defective structure. The reduction of D/C by the heating before tritium exposure led to the increase of absorption amount. These results suggest that carbon film with more defective structure and low D/C film could absorb large amount of tritium. The hydrogen isotope concentration in the present experiment was saturated below the orders of 10^?4, which was 3–4 orders of magnitude smaller than that of co-deposited carbon film with hydrogen isotope.     

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。     

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.     

钯合金膜分离器级联氢同位素分离研究

提出了一种基于钯合金膜分离器串联(PMSCS)的氢同位素分离系统的初步设计,建立了评估该分离方法分离效果的数学模型,根据此模型和前期关于分离器分离系数的测定结果,估算了多级氢同位素分离系统分离级数与分离产品气、尾气中氘和氕之间的关系.结果表明,分离系统所串联的分离级数量越大分离效果越好.对于一个5级串联分离系统(单级分离器分离系数q=1.8),当以50%H-50%D混合气体为原料气时,若产品气的提取比例为40%,产品气中的D含量将达到约92%,产品气得到了充分富集;若尾气的提取比例为40%,尾气中的氢含量将达到约99.95%,尾气中的氘得到了充分的贫化.与低温蒸馏、热循环吸附分离和钯合金膜分离器级联分离比较,钯合金膜分离器串联系统具有结构简单、氚的贮留量小等优点,适用于氢同位素混合气体的分批次操作分离.