氦-3对千克级氢储存床吸收/释放动力学的影响

氢同位素储存材料受氦-3杂质影响研究：分析DU、ZrCo及Zr0.4Nb0.1Co0.4Ni0.125Cu0.075合金在0%-0.2%氦-3浓度下的吸放氢性能，发现杂质显著降低吸氢速率与容量（20%-40%），但放氢动力学和同位素保持率受影响较小，且该合金抗杂质能力最优，为ITER储氢系统材料选择提供数据支持。

贾宇杰|陈东|寇华钦|唐涛|熊一夫|鲍金春|朱晓龙|张光辉

中国工程物理研究院材料研究所，四川省绵阳，621900

摘要

贫化铀（DU）和锆钴基合金（ZrCo）是聚变反应堆中氢储存材料的有希望的选择。然而，氦-3（³He）严重降低了这些金属在聚变反应堆中的性能。本研究系统地研究了³He杂质（0%、0.005%、0.1%、0.2%）对千克级DU、ZrCo以及基于ZrCo的五元合金（Zr₄Nb₀.₁Co₄Ni₀.₁₂₅Cu₀.₀₇₅）的氢同位素吸收/释放性能的影响。结果表明，³He由于氦屏蔽效应降低了氢的吸收能力和吸收速率。即使只有0.2%的³He，也能使氢的吸收能力显著降低20%–40%，并将达到平衡状态的吸收时间延长3–12倍。相比之下，释放动力学和氢同位素的保留率受³He的影响很小。Zr₄Nb₀.₁Co₄Ni₀.₁₂₅Cu₀.₀₇₅表现出对³He效应的优异抗性，这突显了其在大规模氢同位素储存应用中的潜力。上述结论为基于ZrCo的合金和DU系统提供了重要的数据支持，并定量反映了³He在实际操作条件下的影响。

引言

对能源的需求推动了新型清洁能源的探索。聚变能作为一种新型、大规模、可持续且无碳的能源形式，不会产生长寿命的放射性废物，主要需要两种元素：氘（D）和氚（T）[1]。国际热核实验反应堆（ITER）是目前世界上最大的托卡马克装置，其建设目标就是实现聚变能的应用[[2], [3], [4]]。重要的是，托卡马克排气处理系统（TEP）、储存与输送系统（SDS）和同位素分离系统（ISS）的稳定运行直接决定了ITER的建设[5,6]。特别是，SDS需要具有优异循环稳定性和一致吸收/释放动力学的储存床[7,8]。

在众多替代材料中，贫化铀（DU）和金属间化合物ZrCo被认为是非常有前景的材料，因为它们具有优异的低压氢同位素捕获能力、低氢化平衡压力以及快速的吸收/释放动力学[5], [6], [9], [10]。人们采用了一系列策略来改善ZrCo的性能，例如纳米晶化方法[[11], [12], [13]]、引入新型多孔结构[14]、单元素掺杂[[15], [16], [17]]以及多种合金元素设计[[18], [19], [20], [21], [22]]。其中，几种Zr₄Nb₀.₂Co₀.₆Cu₀.₄₋xNiₓ（x = 0.2–0.3）合金被报道为有前景的ZrCo合金，它们表现出稳定的循环稳定性、高抗失调能力和优异的抗中毒性能[[23], [24], [25]]。然而，DT聚变反应和氚的衰变会产生杂质气体氦-3（³He），这阻碍了DU和基于ZrCo的合金的有效利用[[26], [27], [28], [29], [30]]。

氦杂质观察到有两个负面影响。首先，氦在气体/固体表面形成一层屏蔽层，物理上阻碍了氢的扩散，降低了吸收/释放速率。这种现象被称为氦屏蔽效应（HBE）[[31], [32], [33], [34], [35], [36]]。其次，氚的衰变会导致基体内部形成氦气泡[[37], [38], [39], [40], [41]]。氦气泡可能导致基体膨胀和脆化，威胁氢同位素的安全储存，并污染释放出的D和T[[42], [43], [44]]。由于储存床主要用于在SDS系统中吸收和释放氢同位素，因此氦混入吸收气体中的影响更为显著。

值得注意的是，大多数研究使用⁴He作为杂质，而氢储存材料通常限于克级[[33], [34], [35], [36]]。此外，更多研究集中在氢的吸收上，而对释放过程的关注较少[35]。因此，全面探讨³He对氢同位素吸收/释放的影响对于理解储存床的实际操作环境至关重要[45,46]。尽管一些研究关注了氦在不同合金中的行为[31,32]，但很少有研究对其性质进行交叉比较以支持SDS系统中材料的选择。在本研究中，系统评估了DU、ZrCo和Zr₄Nb₀.₁Co₄Ni₀.₁₂₅Cu₀.₀₇₅床的性能。通过动力学测试量化了不同³He浓度（0%、0.005%、0.1%、0.2%）对吸收/释放能力、吸收/释放动力学和氢同位素保留率的影响。

实验装置和程序

图1展示了氢吸收/释放测试系统的示意图。所有氢吸收和释放实验都在恒定气体体积的系统中进行。将热电偶和压力传感器插入三个床层和气体罐中，以实时测量气体体积，直到在给定温度下达到热力学平衡。然后，可以获得吸收/释放的动力学曲线。

在吸附实验期间，

³He对DU的影响

图2(a)显示了DU床层的氢同位素吸收动力学曲线。黑色曲线代表氢同位素含量（摩尔）。曲线随吸收时间的增加而增加，然后达到一个平台，对应于最大氢吸收能力。蓝色曲线代表床层内的进料气体压力。对于0%、0.005%、0.1%和0.2%³He杂质浓度的氢吸收情况，最大氢吸收能力分别为6.50摩尔、6.40摩尔、5.30摩尔

吸收/释放能力和动力学分析

图5(a)–(d)分别展示了在³He浓度为0%、0.005%、0.1%和0.2%时三种合金的氢吸收动力学曲线，而图5(e)–(h)显示了释放曲线。显然，³He杂质显著影响了吸收过程，但对释放过程影响很小。为了进一步分析³He对吸收动力学的影响，采用了Hirooka模型[47]（图6）。拟合红色虚线的斜率对应于氢

结论

本研究系统地揭示了³He对千克级储存床（DU、ZrCo合金和Zr₄Nb₀.₁Co₄Ni₀.₁₂₅Cu₀.₀₇₅合金）的吸收/释放动力学的抑制作用。

• (1)
  结果表明，³He杂质选择性地损害了氢的吸收过程，显著降低了吸收速率和容量。而³He对释放动力学和氢同位素保留率的影响很小。总之，³He主要表现出氦屏蔽效应（HBE）。
• (2)
  与DU相比

CRediT作者贡献声明

贾宇杰：撰写——原始草稿，数据整理。陈东：验证，调查。寇华钦：监督，项目管理。唐涛：监督，项目管理。熊一夫：监督。鲍金春：调查。朱晓龙：验证。张光辉：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张光辉报告获得了国家自然科学基金（NASF）的财务支持。声明与以下方面有关：拥有待审批的专利。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（NASF联合基金，项目编号203020035）的支持。