论文部分内容阅读
储氢床作为实现氢同位素快速储存和供给的安全方式,是氘氚聚变反应堆—国际热核实验反应堆（ITER）中的重要组件。本文针对ITER在氢同位素储存容量（100g/16.67 mol氚）和放氢速率（20 Pa·m3/s）方面对储氢床所设立的技术指标,从影响储氢床性能的储氢材料、床体结构和操作条件这三个关键因素着手,详细研究了实现ZrCo合金快速高效活化的方法以及ZrCoH3在放氢过程中的相变过程,完成了传热、传质性能优良的双薄壁同心管状床体结构的设计,建造了百克氚量级（全尺寸）双薄壁同心管状ZrCo床、Zr0.8Hf0.2Co床、Zr0.8Ti0.2Co床以及贫铀床,系统考察了它们的吸/放氢性能、热性能、循环性能及床体结构稳定性,研究了操作条件对ZrCo床放氢行为的影响。主要的研究内容和结果如下:（1）温度和氢压对ZrCo合金活化行为的影响实验结果显示,完成ZrCo合金的活化一般包括三个步骤:初始抽真空,氢化和脱氢。当初始抽真空步骤的温度高于300℃时,将非常有利于随后的氢化过程。在氢化时,ZrCo合金的吸氢速率随着氢化温度的升高而加快,而提高氢压对其氢化过程却没有明显的影响。经过对比发现,ZrCo合金在100℃、0.8 bar H2下有较优的氢化行为。在脱氢时,当温度高于500℃将有利于ZrCo合金保持较高的储氢容量。研究表明,通过优化活化过程中的温度和氢压等参数可以快速高效地完成ZrCo合金的活化。经过研究得出的一种较优的活化方法为:500℃初始抽真空,100℃、0.8 bar H2吸氢以及500℃抽真空脱氢。（2）温度和氢压对ZrCoH3放氢行为及相变的影响研究发现,在不同的初始氢压下,ZrCoH3经历连续升温放氢时会有不同的放氢过程。在非常低的初始氢压下,如0.01 bar,ZrCoH3即使放氢到650℃也不会发生歧化。但在较高的初始氢压下,如1 bar或4 bar,放氢时就会发生歧化反应。在ZrCoH3放氢生成歧化产物时可以通过两种反应路径进行,分别ZrCo的吸氢歧化和不饱和氢化物ZrCoH3-x的放氢歧化,而决定两种反应路径的关键在于是否有足够高的氢压抑制ZrCoH3-x放氢生成ZrCo的反应。此外,通过确定ZrCo的形成起始点和终止点以及ZrCo2/ZrH2的形成起始点和终止点,所建立的ZrCoH3放氢过程中相变的氢压（P）-温度（T）界线,可以为ZrCo在实际应用过程中如何避免歧化提供指导。基于所建立的P-T相图,可以成功地获得ZrCo-H体系中歧化反应的热力学参数。（3）全尺寸双薄壁同心管状ZrCo床、Zr0.8Hf0.2Co床、Zr0.8Ti0.2Co床及贫铀床的性能研究实验表明,所建造的双薄壁同心管状ZrCo床、Zr0.8Hf0.2Co床、Zr0.8Ti0.2Co床和贫铀床的储氢容量都能达到17.5 mol,同时都具有稳定的床体结构。ZrCo床以20Pa·m3/s的平均放氢速率放氢时的放氢量较低,循环吸/放氢性能衰减严重。放氢方式对ZrCo床的性能影响显著,增加缓冲罐和涡旋泵的使用,不仅有利于促进ZrCo床的放氢过程,还能降低ZrCo床面临高温高压的风险以及减轻ZrCo床的歧化。相比于ZrCo床和Zr0.8Hf0.2Co床,Zr0.8Ti0.2Co床在放氢量、放氢速率和循环放氢行为方面具有更优的性能。在450℃下,它以20 Pa·m3/s的平均放气速率在31.8 min内可以放出17.06 mol的氢气,可以满足放氢速率方面的技术指标。所建造的贫铀床不仅能在450℃下、30.9分钟内以20 Pa·m3/s的平均放气速率放出16.5 mol（总氢量的94%）的氢气而且还表现出了优异的吸/放氢循环性能。即使经过10次循环,其吸/放氢量和吸/放氢速率基本没有出现衰减的迹象。最终结果显示,所建造的双薄壁同心管状贫铀床在ITER中用于氢同位素的储存与供给能够满足储存容量和放气速率方面的技术指标。