抗氢致歧化zrco系贮氚合金研制及歧化机制研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文抗氢致歧化ZrCo系贮氚合金研制及歧化机制研究作者姓名：张光辉学科专业：核燃料循环与材料导师姓名：桑革研究员完成时间：二O一五年四月五日万方数据ofChinaUniversityofScienceandTechnologyAdissertationfordoctor’SdegreeonpreparationandStudymechanismofZrCo-basedtritiumstoragealloysofinducedanti．hydrogendiSpropOrtiOnatiOnAuthor’SName：GuanghuiZhang

2、NuclearFuelCycleandMaterialsspeciality：Prof．GeSangSupervisor：Finishedtime：April5m，2015万方数据中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：幽签字日期：夕／箩D5二6中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥

3、有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。q公开口保密(——年)作者虢独鲜导师签名：塞堇签字日期：211三!茎三6签字日期：垒翌!三!S兰厶万方数据摘嵝摘要聚变能是⋯种安全、洁净、燃料资源丰富的理想能源。圈际热核实验堆tITER)是⋯j订为研究可控磁约束核聚变技术而)1：展的重大国际科技合

4、作项目，zrco合金由于其优异的吸放氢动力学性能、较低的室温离解平衡以及较好的固氦性能，赴贮氚领域存在其特有的优势，其作为ITER项目中氘氚燃料循环系统中的大规模氘氚气体贮存、供应以及回收的重要候选材料在近年来得到广泛的研究关注，然而，其在高温氢同位素气氛下易发生氢致歧化效应以及在杂质气氛中易毒化造成贮氚性能的大幅衰减的问题亟待解决。合金化改性作为目前ZrCo贮氚合金主要改性途径，然而目前合金化改性对zrCo贮氚合金氢致歧化效应的影响规律、作用机制以及与气体杂质相互作用机制均尚未明确。针对以上迫切需要研究的基础与应用问题，为开发一类具有较好抗氢致歧化性能及综合

5、储氢性能优良的ZrCo系贮氚合金，本论文在详细调研国内外文献的基础上，通过电弧熔炼及真空退火等技术制备一系列元素替代改性的ZrCo系贮氚合金，采用XRD、SEM、EDX、TG—DSC、XPS、TPD等材料表征技术以及Sievert．型吸放氢性能测试方法，研究Ti、Sc替代zr位，Ni、Fe替代co位的ZrCo合金的结构、热力学性能和歧化效应及歧化动力学，以及与杂质气体相互作用的影响；研究适量ce掺杂对Zro8Hf0．2Co的相结构以及成分分布及吸放氢动力学、同位素效应以及歧化效应的影响。相关研究结果可为ITER等涉氚项目中大规模氚供给与贮存系统的贮氚材料研制提

6、供技术支撑，具有一定的应用价值及科学意义。获得研究结果如下：(1)制备Ti、Sc、Fe、Ni替代的ZrCo合金均为ZrCo相结构。Ti替代Zr导致ZrCo的晶格常数减小，且随Ti替代含量的增加，晶格常数呈递减规律，而sc替代zr位、Ni、Fe替代Co位不同程度的使ZrCo的晶格常数增加。Ti替代zr提升ZrCo合金的放氢坪台压力，随Ti含量增加，平衡压增加，且放氢PCT坪台的倾斜度显著增加，坪台性能降低。Fe替代Co导致ZrCo合金的放氢坪台压力降低。Ti替代zr可大幅改善ZrCo贮氚合金抗氢致歧化性能，在673K、723K和773K及60kPa氢压下1000

7、min内歧化率分别为1．13％、5．46％、5．54％，且Ti替代量增加可显著增强ZrCo合金的抗氢致歧化性能。Fe、sc、Ni掺杂会不同程度的促进歧化反应，不利于ZrCo的实际应用。ZrCo合金的歧化反应与第一步放氢温度以及晶格常数存在密切关联。Ti元素替代Zr可通过改变间隙占据尺寸，改变晶格中氢在不稳定占据位观和＆的占据比例，降低歧化驱动力，从而有效改善ZrCo合金的抗歧化能力。随Ti替代zr元素的含量增加，第一步放氢温度升高以及晶格常数减小，降低氢在既和&位的占据比例，进一步提高抗T万方数据摘要氢致歧化能力。Ti替代Zr大幅降低ZrCo合金的初次吸氘动力

8、学，形成规整的层片状氢化物结构，有效降