【摘要】：氘、氚聚變釋放的能量很大,并且燃料豐富,被認(rèn)為是未來能源之一。聚變反應(yīng)的燃料主要是氘、氚,當(dāng)燃料中存在氕時,對氘、氘反應(yīng)和氘、氚反應(yīng)會產(chǎn)生阻礙作用,為了使燃料氣中的氕含量盡可能少,就需要進(jìn)行氫同位素的分離。金屬分離法是一種常用的分離氫同位素的方法,鈀因其抗毒化性能好、氫同位素效應(yīng)強、吸放氫平衡快、穩(wěn)定性高等特點而成為主要的分離材料。鈀分離氫同位素的原理是利用鈀-氫體系的同位素效應(yīng),同位素效應(yīng)是由質(zhì)量和自旋差異引起的同位素及其化合物的物理、化學(xué)特性的變化。氫是自然界存在的最輕的元素,質(zhì)量數(shù)的變動會帶來最大的相對質(zhì)量差,因此氫同位素具有最為明顯的同位素效應(yīng)。關(guān)于鈀氕、鈀氘體系物理、化學(xué)性質(zhì)的研究很多,也很完善。然而氚是一種放射性核素,在含氚氫同位素處理過程中衰變產(chǎn)生的氦-3會對基材產(chǎn)生影響,尤其是氦會聚集成泡,有可能會在材料中形成自位錯、位錯環(huán)、間隙原子簇等結(jié)構(gòu)缺陷,這可能會導(dǎo)致材料熱力學(xué)、力學(xué)性能及材料微觀結(jié)構(gòu)等的變化,使得材料的應(yīng)用性能發(fā)生改變,即產(chǎn)生氚老化效應(yīng)。關(guān)于氚老化鈀的氫同位素效應(yīng)研究主要集中在鈀氚體系的熱力學(xué)性質(zhì)上,老化鈀-氕和老化鈀-氘方面的研究很少,關(guān)于老化鈀分離因子的研究也沒見到公開報道。氚老化對鈀中氫同位素交換性能以及分離能力的影響也是工程上關(guān)心的一個問題,因此論文基于初始貯氚T/Pd=0.65、自然狀態(tài)下貯氚老化的鈀和新鮮鈀進(jìn)行了XRD分析,并開展了熱力學(xué)性質(zhì)以及分離因子的實驗研究。對新鮮鈀、1.6年及3.5年老化鈀做了XRD分析,從分析圖譜來看老化鈀和新鮮鈀具有相似的峰形,老化并沒有改變鈀的晶體結(jié)構(gòu),兩者均呈面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)。相對新鮮鈀,老化鈀的峰位右移,半高寬增大。老化產(chǎn)生的3He引起晶格畸變,導(dǎo)致晶格常數(shù)從新鮮鈀的3.8904A分別下降到1.6年老化鈀的3.8899A及3.5年老化鈀的3.8862A；晶粒細(xì)化,從39.05 nm分別下降到23.05 nm、21.13 nm;材料的應(yīng)變也有不同程度的增大,從初始的0.000874分別增大為0.001385和0.001213。建立了Sieverts裝置,利用定組分變溫法進(jìn)行了30℃～75℃新鮮鈀和三種老化鈀的熱力學(xué)實驗研究。結(jié)果顯示,老化鈀和新鮮鈀的氫化物具有相似的PcT曲線：有明顯的α相、坪臺區(qū)(α+p相)及p相；相同條件下,鈀吸、放氫的壓力低于吸、放氘的壓力,且平衡壓力均隨溫度的升高而升高。相比新鮮鈀,老化鈀的氫化物α相整體右移,坪臺區(qū)變窄,相同條件下的平衡壓力也明顯降低,且坪臺壓隨固相中3He的增加呈指數(shù)遞減關(guān)系。進(jìn)一步的熱力學(xué)性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),無論老化鈀還是新鮮鈀,Pd-D體系的焓變數(shù)值上小于Pd-H體系,而熵變數(shù)值上前者大于后者,表明前者的穩(wěn)定性低于后者,D在Pd中溶解所引起的混亂程度比H大；Pd-H體系的滯后效應(yīng)較Pd-D體系略大,均對溫度敏感,且隨溫度的升高而降低。老化效應(yīng)對鈀的吸、放氕和氘的焓變沒有明顯影響,而熵變數(shù)值(絕對值)上隨老化時間的增加而降低。這是因為鈀中氫同位素主要占據(jù)間隙位,而3He主要聚集在置換空位,不對Pd與氫同位素之間的生成熱造成明顯影響,所以焓變基本保持不變；盡管如此,3He會聚集成泡,影響基材中間隙位的數(shù)量,并且生成新的缺陷,進(jìn)而影響到熵變。此外,老化效應(yīng)還弱化了滯后現(xiàn)象。通過變溫法,利用四極質(zhì)譜分別測定了新鮮鈀、3.5年老化鈀以及6.5年老化鈀在溫度范圍為-25℃-155℃、固相中氘豐度變化范圍為5%-90%、不同固相中氫同位素濃度(用固相中氫鈀原子比表示,范圍為0.05-0.7)時的分離因子。在-25℃-155℃溫度范圍內(nèi),分離因子隨著溫度的增加而減小,并且1n αH-D與1/T成線性關(guān)系；分離因子隨氘豐度的增大而逐漸增大,并且增速逐漸減�。辉讦�+β及β相,分離因子受氫同位素在固相中溶解度的影響——隨(H+D)/Pd值的增加而增大。而不同之處在于：隨著老化時間的增加,分離因子逐漸減小；新鮮鈀分離因子隨氘豐度增大的趨勢逐漸平緩,而老化鈀在較高氘豐度段有較快增長,主要原因在于老化產(chǎn)生的3He對氫同位素在固相中的活度有較大影響；老化效應(yīng)對分離因子的影響在固相中氫濃度較低時表現(xiàn)更加明顯。
【圖文】：

l#分離）、分離效率z苡糜詰頭岫葊叺母患�、l#滯留量低、系統(tǒng)小型化、自動化程逡逑度高等優(yōu)點逡逑ＴＣＡＰ分離原理示意圖如圖１．３所示，主要由兩部分組成：填充了載把材料的分離逡逑柱和一個回流柱。兩者間通過上瑞的閥口連通，運行時分離柱處于半周局溫和半周低溫逡逑的冷、熱循環(huán)中。逡逑化巧邋ｔ邋：：逡逑冷印Ｉ思Ｊ邐ｒｎ逡逑礦巧巧：；逡逑＆邋試，；；；逡逑；；＜邋｜；｜逡逑進(jìn)料—■一叫半ＰＦＲ逡逑１：１邐．邋ｒ．逡逑背．Ｖ—皆逡逑Ｉ；：逡逑ｉｉｉ邋；邋？；；邋：：：逡逑！？＜ｊ＞２＜逡逑：；ｉ邋－逡逑Ｍ逡逑圖１．３熱循環(huán)吸附分離原理圖ＩＷ逡逑Ｆｉｇ．１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＴＣＡＰ＇＾＊＇．逡逑初始時，在冷半周，回流柱的氣體被分離柱吸入，由于同位素效應(yīng)，輕同位素被優(yōu)逡逑先吸附于柱的上端，重同位素則傾向于富集在下端，形成氨同位素的濃度分布梯度。在逡逑隨后的熱半周，氣體被解吸流向回流柱，在此過程中，由于高溫下把氨體系的氨同位素逡逑效應(yīng)會有一定程度的下降，不會使前期獲得的分離受到大幅度抵巧，從而使氯同位素氣逡逑體得到不同程度的分離。多次循環(huán)后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)：系統(tǒng)內(nèi)的狀態(tài)變化周期重復(fù)，，每逡逑次循環(huán)后系統(tǒng)內(nèi)的同位素分布不再變化

TCAP系統(tǒng)裝宜示憊圖/28}Fig.1.4Sehemati
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TL627

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本文編號：2620196