a-Al2O3阻氚涂层中H/He-3行为研究

Tritium permeation resistance mechanism and hydrogen damage effects of tritium permeation barriers (TPB) are very important for improvement or modification of TPB. A combined experimental and theoretical method will be adopted to investigate the tritium permeation mechanism and T/He-3 synergy effects on the structure and performance of a-Al2O3. Neutron diffraction scattering, XRD, Hydrogen permeation test,SIMS, Raman scattering and TDS will be performed to identify the hydrogen behavior,such as adsorption, dissociation, diffusion, recombination and desorption, and hydrogen position and form in a-Al2O3.After deuterium or tritium/helium-3 introduced through heating in deuterium or tritium gas at high temperature for several hours, some properties such as the hydrogen permeation properties ,microstructure and mechanics of a-Al2O3 and its coating on 316L steel will be determined. H2 molecule or H atom behavior at the surface and in the bulk of a-Al2O3 will be simulated via the first-principles studies. The experiment and theoritical research result could be used for the micro-structure control and engineering design of tritium permeation barriers.

a-Al2O3具有很好的阻氚渗透性能，本项目拟先通过中子衍射、氢同位素气相渗透测量、二次离子质谱和光谱等手段，研究氧化铝中氘的位置、溶解、扩散、渗透和解吸行为规律及其氘致结构和性能的改变；然后采用热充氚-贮存法在氧化铝材料与涂层中引入氚/衰变氦-3，研究氚/He-3对氧化铝的氘渗透、微观结构和力学性能的影响；最后结合第一性原理模拟计算，获得氧化铝的阻氚渗透机理及氚/氦-3的影响规律，指导氧化物阻氚渗透涂层的微观结构调控和制备工艺方案设计。

阻氚涂层是聚变堆氚安全防护领域的关键科学与技术问题之一。在众多候选材料中，Al2O3由于其较低的氢渗透率成为当前阻氚涂层材料研究的重点。然而，氢同位素在Al2O3中行为及其作用机理尚不明确，因此，Al2O3阻氚涂层的方案设计、制备工艺调制和性能调控之间难以协调，往往顾此失彼，阻氚效果尚未得到理想的发挥，为此项目系统研究了α-Al2O3中氢的吸附、解离、侵入、存在形式和扩散等行为，以及α-Al2O3的表面及其中He-3对这些氢行为的影响，揭示了α-Al2O3中氢/He-3行为的详细机制及α-Al2O3阻滞氢渗透的作用机理。首次系统获得了α-Al2O3表面（次表面）氢行为的详细机制；获得了a-Al2O3中氢的存在形式及扩散行为，对α-Al2O3中阻滞氢渗透的主要作用区域提出新见解；发展了研究阻氚涂层阻滞氢渗透作用机理的方法，给出了典型阻氚涂层工作环境下a-Al2O3阻滞氢渗透的作用机理，这一结果将通常的基于Fick定律的表象方法向原子级方法前推了一步。系统获得了氦-3在α-Al2O3中的存在形式、扩散行为及其对氢扩散行为的影响，发现HeAl3-和[VO0-He]能够增强阻氚涂层的性能。采用正电子湮灭谱获得了H、He-3与α-Al2O3相互作用的直接证据及力学性能下降原因；最后提出了增强α-Al2O3阻氚性能的指导性原则。发表文章15篇，举办会议2次，参加国内外会议8次，并获得国际权威期刊Chem. Rev.、Acta.Mater.以JPCC上文章的评价和引用。研究成果为国防和民用中氢同位素工业技术（特别是涉氚系统）及聚变堆发展中氧化物阻氚涂层的设计和工艺调控提供科学依据，促进了氧化物阻氚涂层材料中氢同位素行为研究的进展。