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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 材料綜合 » 材料其他 » 釩、鈮、鉭中氘滲透性的實驗研究
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釩、鈮、鉭中氘滲透性的實驗研究
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介紹 v族元素(v、nb、ta)獨特的氣體保留和傳輸特性長期以來吸引了人們的極大興趣，尤其是在核聚變領域。在預期的操作溫度下標稱的高氫同位素滲透性和擴散性，以及負的溶解度活化能，使得這些材料成為制造氚再循環(huán)結構的有希望的選擇。 在聚變領域，氚的運輸是特別關注的問題，由于氚的放射性，不僅為了燃料的可用性，而且為了安全原因，需要嚴格的存量控制。氚相關系統(tǒng)的設計以及向其他部件泄漏的可能性可能被低估，從而影響反應堆的安全。為此，三種材料的氘滲透率數據是在相關溫度范圍內獲得的，符合總體上為包層設計建立的要求。還評估了實驗困難以及表面氧化的作用，表面氧化可能成為實際應用中的一個主要問題。 實驗 高純度(99.9 %)鈮和鉭，以及釩厚度分別為0.5、1.0和0.9 mm的樣品被切割以滿足系統(tǒng)所需的尺寸，并在必要時進行研磨/拋光，以最小化表面處理的影響。 一個新的氣體滲透系統(tǒng)(thermoperm ii)已被委托用于這些實驗，作為在f4e活動范圍內開發(fā)的thermoperm i裝置的復制品，用于氫/金屬相互作用研究,允許獲得氫/氘透過金屬膜的數據，從~300到550℃和0.1至1000毫巴。 該實驗程序包括在一個樣品表面保持驅動氣體壓力水平，同時在相對位置保持真空條件(~ 10-3 mbar)。在穩(wěn)態(tài)條件下，使用pfeiffer智能測試檢漏儀(d2的靈敏度為10-12毫巴l/s)在每個溫度下測量從高到低濃度區(qū)域的滲透通量。使用高純度α-鐵和316-l不銹鋼對系統(tǒng)進行了仔細檢查和驗證(作為上述f4e合同的一部分，不同實驗室對這兩種材料進行了詳盡的表征)。圖1和圖2顯示了該方法的重現性，它們分別比較了不銹鋼和鐵的thermoperm i和ii的數據。 為了確保足夠的表面條件，遵循了一個系統(tǒng)的程序，包括預先用清潔劑和超聲波浴清洗樣品，以及一旦樣品被固定，在實驗開始前，在高達約400°c的高真空中退火約70小時。 這組材料具有非常高的透氫性(例如，在550℃時比α-fe高約3個數量級)。此外，給出了負活化能，該活化能來源于溶解度行為(溶解度隨溫度降低)。 這些特性使這些材料特別適合用作聚變中氣體分離器的膜，提供有效的氚滲透，但也使工作溫度下的氣體吸收最小化。然而，我們必須意識到，滲透率數據是從實驗溶解度和擴散率中推導出來的，如圖3所示。 結果 理想條件下的滲透 圖4給出了100毫巴氘透過v、nb和ta的結果。所有三種材料都觀察到正的阿倫尼烏斯活化能，以及在500°c時比半經驗預測值低2-3個數量級的滲透率。 現實條件下的滲透 在故意放松的清潔條件下對釩樣品進行了額外的測試，省略了通常的真空初步退火。目的有兩個:一方面，評估在聚變操作條件下必須預期的真實氚滲透能力，另一方面，解決與表面條件有關的實驗困難，這可能是造成數據大范圍分散的原因。 “安裝”樣品的氘滲透率顯示出兩種不同的趨勢(圖中綠色符號)。約400°c以上的斜率與deventer等人報告的滲透率數據非常吻合。 結果還表明，在300°c的真空中退火可以防止這種效應，這與kiss等人給出的290°c時氧化釩的分解一致。 討論 對于這里介紹的測量，采取了一些措施以避免表面效應。從0.7到1000毫巴的壓力下，在ciemat獲得的滲透通量的～p1/2相關性表明表面影響低，然而不能完全排除表面影響的存在。盡管分散，并且不加區(qū)別地考慮所有三種材料，但是從圖3中收集的數據可以觀察到一個總的趨勢。arrhenius圖的斜率隨著溫度而降低，因此不同的機制似乎取決于溫度范圍而支配h同位素滲透。sherman & birnbaum 在高溫(> 636°c)和小心控制的氧化條件下獲得了負活化能的唯一實驗證據。然而，在較低溫度下獲得的數據逐漸轉向相反的溫度依賴性。 結論 在約300-500°c的溫度范圍內，測量了通過鈮、釩和鉭的氘滲透率。與現有數據的比較表明了與溫度的復雜相關性。雖然很明顯，應考慮在更寬的壓力和溫度范圍內進行進一步的分析和實驗，以充分表征這些材料中h同位素的滲透性，但很明顯，應避免使用傳統(tǒng)上接受的值。此外，在實際應用中，應特別注意這些材料的表面氧化，因為在室溫下形成的天然氧化物及其高穩(wěn)定性，在約450°c時觀察到的滲透率降低了3個數量級以上。其中鉭材表現最優(yōu)。 |
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