金属氚化物中氦泡生长显微机制研究现状与发展趋势

氚是核聚变反应的关键核燃料,金属氚化物是国防领域及核聚变能源领域中的重要功能材料。氚衰变产生的氦原子及其演化过程严重影响金属氚化物的宏观性能,氦泡的形成与驻留又会影响金属氚化物的贮氚性能,金属氚化物中氦泡生长机制的研究是备受关注的重要科学问题。受限于氚的放射性和缺乏对氚与氦等轻元素原子的显微分析技术,氦泡生长模型的研究长期处于唯象理论阶段。近年来,随着电子显微分析技术的进步,提出了更加准确分析氦泡信息的新技术,氦泡生长显微机制研究取得了新的突破。本文将首先简要介绍金属氚化物中氦泡生长机制的主要理论与成果,然后介绍电子显微分析技术的发展及研究成果,最后针对氦泡生长显微机制的研究趋势做出展望。     

脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放测量技术研究

为认识脉冲离子束作用下金属氚化物的氦释放行为,建立了脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放测量系统。利用标准体积气体取样装置,采用气体反扩散法,对系统的容积比、灵敏度进行了实验标定。在此基础上,发展了脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放的测量技术,开展了脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放实验研究。结果显示,单次脉冲离子束作用下金属氚化物的氦释放呈脉冲式,释放量最大可达10~(13)个原子以上。     

用四极质谱法测定从金属氚化物中释放的^3He

使用自行设计的超高真空金属系统和气体样品净化装置，以引进的Ｇａｓｔｒａｃｅ－ｓ型气体分析四极质谱计为分析器，以纯度为９９．９％的＾３Ｈｅ和＾４Ｈｅ气体为标准气样，对微量气体样品中Ｈｅ同位素的四极质谱峰高比测定法进行了实验研究。结果表明，Ｚｒ－Ａｌ活性气体吸收剂能在３９０ｓ内将活性杂质气体含量为４０．７％的＾３Ｈｅ气体样品净化到接近１００％。     

金属氚化物中3He的热解吸方法

在自行设计的全金属高真空热解吸系统上,以ELITE SPE-50型四极质谱计(QMS)为分析器,建立了金属氚化物中3He的热解吸和数据处理方法.解吸过程中,金属系统处于真空密闭状态,薄膜压力计直接测量解吸出的气体压力,质谱计则通过微量渗漏阀在线取样测量,所采集的数据均为积分形式.研究结果表明四极质谱计标定解吸系统内4He的分压＜350 Pa时,其相关系数R＞0.99,且记忆效应的贡献极弱;离子态氚T+对m/e=3组分分压的贡献可按IT+≈0.01 IT2+确定,不干扰3He的测定;将气体解吸所得的积分数据经平滑并微分处理后可准确得到气体释放速率与退火温度的关系,即热解吸谱.     

充氚不锈钢中氦泡长大行为的加热效应

以室温贮存经历的充氚不锈钢试样为研究对象,计算了充氚不锈钢中氚、氦浓度的深度分布,利用透射电镜观察了充氚不锈钢在加热过程中氦泡的演化行为。结果表明:在氚压0.131MPa、780℃充氚8h后,不锈钢中氚在深度方向分布均匀,平均浓度为110μL/L;在空气室温环境下放置6a后,不锈钢中氚衰变的氦浓度在深度方向分布均匀,平均浓度为60μL/L;对充氚不锈钢加热处理后,在550℃/1h时效即可观察到氦泡;在950℃/1h和1050℃/1h时效时,氦泡明显长大,大的可达100nm,小的可达30nm,在晶界、晶内和位错处均可见氦泡。     

Ti、Zr、Er及Nd等金属氚化物的3He释放

利用四极质谱计（QMS）法测量了Ti、Zr、Er及Nd等4种单质金属的氚化物³He释放,通过数年监测与数据积累,对这4种金属氚化物的3He释放行为进行了比较研究。结果表明,它们贮存早期的³He释放速率极低,其释放速率均不及生成速率的1%,其中,Ti、Zr氚化物³He释放系数（RF）为10^－6～10^－5量级,Er、Nd氚化物的3HeRF为10^－3量级,随着贮存时间的增加,当金属氚化物内积累较多的3He时,其RF会迅速增长至10^－1量级,释放速率接近生成速率。     

氦离子辐照下金属钯薄膜的微观行为研究

采用电子束蒸发镀膜技术,在Si(100)面基底上沉积金属钯薄膜,并采用台阶仪和透射电子显微镜(TEM)对薄膜的厚度和结构进行表征.选取不同能量、不同剂量的氦离子束对钯薄膜进行注入实验,注入后,用X射线衍射分析(XRD)分析薄膜的微观行为.实验结果显示,在固定注入能量时,随着注入剂量的增加,钯薄膜的晶格发生膨胀,膨胀与注入造成的离位钯原子以及氦-空位复合物在晶格中的存在有关.原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)的测试结果表明,由于溅射作用,薄膜表面变得略为平坦.     

氚化钛膜中氦的热解吸行为初步研究

对He、Ti原子比n(He)/n(Ti)为0.004～0.300的7块氚化钛膜样品在1300K以下进行热解吸分析,以获得它们的热解吸谱。在低于1300K范围内,氚化钛膜共有4种氦的热释放峰,分别对应于贯穿至表面的氦泡、近表面的氦、体相中的氦泡和氦的小团簇。对这4种类型的氦释放峰的解吸温度和解吸量随膜中总氦量的变化分别进行分析,研究观测膜中各种状态存在的氦量随n(He)/n(Ti)增加的变化趋势。实验观测到,升温将导致氚化钛膜可容纳的氦量大幅降低。     

时效氚化锆的氦释放及结构变化

实验测量了氚化锆时效过程中的3He释放以及结构变化。实验结果表明,面心四方结构ZrH1.801相的氚化锆在n(3Hegen)/n(Zr)小于0.27的时效期间,3He的释放系数处于10-6～10-5量级,生成的3He几乎全部被氚化物捕获。受季节温差的影响,3He的释放系数呈波浪式变化。随n(3Hegen)/n(Zr)的增加,氚化锆的晶胞体积经历了增大、维持恒定以及减小3种变化。     

贮氚非晶态锆钒合金膜中的氦释放行为

用热解吸和静态贮存方法对贮氚非晶态ZrV₂合金膜中³He的释放行为进行了系统分析。结果显示：³He原子存在597.3、725.8和1 146.6 K等3个解吸峰,其中第3解吸峰的解吸量最大,是由非晶态基体中的³He释放形成;在长达2 423 d的静态贮存期间,非晶膜中³He原子的释放系数始终在10^-5量级范围内波动并呈线性上升趋势,但仍未加速释放;贮存温度变化会引起释放系数剧烈波动;与贮氚晶态ZrV₂合金膜相比,非晶膜的固氦能力显著增强。上述结果初步证实了非晶合金具有良好的固氦性能,这有助于人们从全新视角认识材料中的氦行为。     

锆钒氚化膜的3He释放研究

对两块锆钒氚化膜中3He释放进行4 a跟踪监测。测量结果表明:其释放系数(RF)一直保持在10-4~10-2量级,与文献所报道的锆钴合金、钯、铒等金属的氚化物早期的3He释放基本上处于同一水平。其区别在于,随着时间的增长,其它金属的氚化物在200~1 000 d内达到3He的加速释放,而锆钒合金贮存已1 500 d,仍无3He的加速释放迹象。这种现象说明锆钒合金具有更强的固氦能力。     

氘/氚化铀热解吸的动力学同位素效应

在高真空金属系统上测定了氘/氚化铀在恒容体系和225～400℃范围内热解吸的压力-时间等温线,应用反应速率分析方法计算了各自在不同温度下的速率常数。随着温度的升高,热解吸反应的速率增大,反应的平衡压随之增高。由速率常数计算得到氘/氚化铀热解吸的表观活化能分别为(26.3±0.4)kJ/mol和(27.7±0.6)kJ/mol。活化能数据显示,氘/氚化铀热解吸反应的动力学同位素效应不明显。     

LaNi4.25Al0.75合金的吸放氚性能研究

在真空系统中,对LaNi4.25Al0.75合金的氘活化特性进行测试.测定了该合金在不同温度下的吸放氚速率曲线和P-C-T曲线,获得了LaNi4.25Al0.75T x吸、放氚的标准焓值和标准熵值.LaNi4.25Al0.75T2.5合金的生成标准焓值和标准熵值分别为(-31.8±0.8) kJ·mol-1和(-76.5±2.4) J·mol-1·K-1,其解析值分别为(-36.5±0.5) kJ·mol-1和(-84.2±1.5) J·mol-1·K-1.用四极质谱计测定了材料吸附氚气和贮存7 d时释放氚的纯度,并进行了比较.     

LaNi4.7Al0.3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。