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钒、铌、钽中氘渗透性的实验研究
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介绍 v族元素(v、nb、ta)独特的气体保留和传输特性长期以来吸引了人们的极大兴趣，尤其是在核聚变领域。在预期的操作温度下标称的高氢同位素渗透性和扩散性，以及负的溶解度活化能，使得这些材料成为制造氚再循环结构的有希望的选择。 在聚变领域，氚的运输是特别关注的问题，由于氚的放射性，不仅为了燃料的可用性，而且为了安全原因，需要严格的存量控制。氚相关系统的设计以及向其他部件泄漏的可能性可能被低估，从而影响反应堆的安全。为此，三种材料的氘渗透率数据是在相关温度范围内获得的，符合总体上为包层设计建立的要求。还评估了实验困难以及表面氧化的作用，表面氧化可能成为实际应用中的一个主要问题。 实验 高纯度(99.9 %)铌和钽，以及钒厚度分别为0.5、1.0和0.9 mm的样品被切割以满足系统所需的尺寸，并在必要时进行研磨/抛光，以最小化表面处理的影响。 一个新的气体渗透系统(thermoperm ii)已被委托用于这些实验，作为在f4e活动范围内开发的thermoperm i装置的复制品，用于氢/金属相互作用研究,允许获得氢/氘透过金属膜的数据，从~300到550℃和0.1至1000毫巴。 该实验程序包括在一个样品表面保持驱动气体压力水平，同时在相对位置保持真空条件(~ 10-3 mbar)。在稳态条件下，使用pfeiffer智能测试检漏仪(d2的灵敏度为10-12毫巴l/s)在每个温度下测量从高到低浓度区域的渗透通量。使用高纯度α-铁和316-l不锈钢对系统进行了仔细检查和验证(作为上述f4e合同的一部分，不同实验室对这两种材料进行了详尽的表征)。图1和图2显示了该方法的重现性，它们分别比较了不锈钢和铁的thermoperm i和ii的数据。 为了确保足够的表面条件，遵循了一个系统的程序，包括预先用清洁剂和超声波浴清洗样品，以及一旦样品被固定，在实验开始前，在高达约400°c的高真空中退火约70小时。 这组材料具有非常高的透氢性(例如，在550℃时比α-fe高约3个数量级)。此外，给出了负活化能，该活化能来源于溶解度行为(溶解度随温度降低)。 这些特性使这些材料特别适合用作聚变中气体分离器的膜，提供有效的氚渗透，但也使工作温度下的气体吸收最小化。然而，我们必须意识到，渗透率数据是从实验溶解度和扩散率中推导出来的，如图3所示。 结果 理想条件下的渗透 图4给出了100毫巴氘透过v、nb和ta的结果。所有三种材料都观察到正的阿伦尼乌斯活化能，以及在500°c时比半经验预测值低2-3个数量级的渗透率。 现实条件下的渗透 在故意放松的清洁条件下对钒样品进行了额外的测试，省略了通常的真空初步退火。目的有两个:一方面，评估在聚变操作条件下必须预期的真实氚渗透能力，另一方面，解决与表面条件有关的实验困难，这可能是造成数据大范围分散的原因。 “安装”样品的氘渗透率显示出两种不同的趋势(图中绿色符号)。约400°c以上的斜率与deventer等人报告的渗透率数据非常吻合。 结果还表明，在300°c的真空中退火可以防止这种效应，这与kiss等人给出的290°c时氧化钒的分解一致。 讨论 对于这里介绍的测量，采取了一些措施以避免表面效应。从0.7到1000毫巴的压力下，在ciemat获得的渗透通量的～p1/2相关性表明表面影响低，然而不能完全排除表面影响的存在。尽管分散，并且不加区别地考虑所有三种材料，但是从图3中收集的数据可以观察到一个总的趋势。arrhenius图的斜率随着温度而降低，因此不同的机制似乎取决于温度范围而支配h同位素渗透。sherman & birnbaum 在高温(> 636°c)和小心控制的氧化条件下获得了负活化能的唯一实验证据。然而，在较低温度下获得的数据逐渐转向相反的温度依赖性。 结论 在约300-500°c的温度范围内，测量了通过铌、钒和钽的氘渗透率。与现有数据的比较表明了与温度的复杂相关性。虽然很明显，应考虑在更宽的压力和温度范围内进行进一步的分析和实验，以充分表征这些材料中h同位素的渗透性，但很明显，应避免使用传统上接受的值。此外，在实际应用中，应特别注意这些材料的表面氧化，因为在室温下形成的天然氧化物及其高稳定性，在约450°c时观察到的渗透率降低了3个数量级以上。其中钽材表现最优。 |
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