基于元素调控ZrCo型合金抗氢致歧化效应及机理研究

Zr alloys is one of the most promising candidate meterail for supply, storage and recovery of deterium-tritium fuel cycle in ITER plant,however, the hydrogen absorption capacity of ZrCo alloys decreased sharply while operated at high temperature due to hydrogen-induced dispproportionation, which would cause reliability and safty problems and become a scientific issues that need to be focused on.This work aims at studying the property of hydrogen-induced disproportionation of ZrCo with element substitution. A serials of ZrCo alloys with different element substitution will be prepared by vacuum-melting, and then the propeties of hydrogen-induced disproportionation at different temperature and hydrogen pressure are investigated.In addition, the structural, electronic,crystal lattice dynamic and thermodynamic properties of Zr（Ti、Hf）Co（Fe、Ni）alloys and their hydride will be investigated by using the first-principles approach,and the effect of element substitution on crystal lattice and sites occupied by hydrogen atom will be investigated,and the behavior and mechanism of dehydrogenation of ZrCo alloys will be studied. Based on the experimental and theortical result，the relationship of the hydrogen-induced disproportionation and interstitial sites occupied by hydrogen atoms will be revealed, so as to explore the mechanism of enhanced anti-hydrogen-induced disproportionation with element substitution. Moreover, the influence of tritium environment on disproportionation reacion of Zr-based alloys will be investigated. This work will lay foundation for the application of Zr-based alloys in deuterium-tritium fuel cycle. Meanwhile, it will be necessary supplement to the construction of tritium chemistry and tritium technology, and show important scientific and application significance.

Zr合金是磁约束核聚变堆中氘氚核燃料贮存、输运及回收的重要候选材料。然而其在高温下易发生歧化反应，使其性能急剧降低，给核聚变堆的稳定性及可靠性造成隐患，是需要重点关注的科学问题。本项目拟选择元素替代ZrCo的抗氢致歧化效应为研究对象。首先，采用真空熔炼法制备不同元素替代的ZrCo合金，研究其在不同温度、氢压条件下的氢致歧化效应；其次，采用第一性原理系统研究ZrCo及其氢化物中元素替代对晶格参数、内部氢原子占位、扩散及材料的释氢特性等的影响；同时，结合实验和理论计算结果建立元素替代ZrCo的抗氢致歧化效应与内部H原子空间占位之间的关系，从而探索元素替代增强ZrCo合金抗氢致歧化的作用机制；最后，研究涉氚环境对Zr基贮氚材料歧化反应的影响。本项目的实施将为Zr基合金在氘氚燃料循环上的广泛应用提供基础数据并打下坚实基础，同时对构建氚化学与氚工艺学科体系是必要的补充，具有重要的科学及应用价值。

中文摘要(对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内)：.聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。国际热核实验堆（ITER）是目前世界科技界为研究可控磁约束核聚变技术而开展的重大国际科技合作项目， ZrCo合金作为ITER项目中氘氚燃料循环系统中的氘氚气体贮存，供应以及回收的重要候选材料在近年来得到广泛的研究，然而ZrCo在高温环境下，放氢过程中都可能发生氢致歧化反应。本项目从理论及实验上研究了元素替代ZrCo的抗氢致歧化效应，采用第一性原理系统研究ZrCo及其氢化物中元素替代对晶格参数、内部氢原子占位、扩散及材料释氢特性等的影响；结合实验和理论计算结果建立元素替代ZrCo的抗氢致歧化效应与内部H原子空间占位之间的关系，探索元素替代增强ZrCo合金抗氢致歧化的作用机制；最后，研究涉氚环境对Zr基贮氚材料歧化反应的影响，取得了一系列创新性研究成果，获得省部级创新二等奖一项，发表文章14篇，获得相关领域权威期刊的好评，专利8项，研制合金已实用。圆满完成标的。.1）成功研制出了一种性能好，满足动氚要求的合金；实验制备了Ti、Hf、Sc、Fe 、Ni、Mo等元素替代ZrCo合金并系统研究了吸放氘/氚的动力学和热力学，获得了规律性认识，可进一步丰富材料的性能数据库。2）建立了ZrCoH3放氢过程中热力学和动力学的P（氢压）-T（温度）相界，基于Vant Hoff首次从热力学角度合理解释了高温一定氢压下发生歧化现象的原因。3）DFT理论计算表明，随着Hf含量的增加，Zr1-xHfx的S和P轨道对DOS的贡献增加，在Feimi能级以上的范围增加。综合考虑结合能及迁移能垒，Ti或Hf的掺入将减小8e占位的氢占率，从而抑制歧化。4）岐化机理研究表明：ZrCo合金的岐化反应与第一步放氢温度以及晶格常数存在密切关联，Ti或Hf元素替代Zr通过改变间占据尺寸，可改变晶格中氢在不稳定占据位的占据比例，降低歧化驱动力，从而有效改善ZrCo合金的抗岐化能力。5）涉氚实验结果表明，所研制的元素替代ZrCo合金具有优良的吸氚动力学和抗氚致歧化性能。本项目的实施将为Zr基合金在氘氚燃料循环上的广泛应用提供基础数据并打下坚实基础及科学依据，同时对构建氚化学与氚工艺学科体系是必要的补充，所研制的合金已在相关领域中使用，具有重要的科学及应用价值。