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锂铅合金中氯扩散行为的理论研究
发布时间:2018-04-21浏览次数:387返回列表

[摘 要] 锂铅合金是非常有前途的聚变堆、聚变一裂变混合堆包层产氚材料,研究氚在其中的扩散行为是很有意义的工作,从氢在金属中扩散的宏观规律出发,依据平板模型初步建立了氚一锂铅体系的扩散模型,利用相关文献数据,探讨了不同研究方式、氚浓度、温度对扩散行为的影响,分析了这种扩散的微观机制.计算结果表明:造成研究结论之间巨大差异的原因在于锂铅表面物理和化学状态的不同考虑;在一定温度范围内,氚浓度的升高引起扩散系数的下降,温度的升高引起扩散系数的增加.O引言

核聚变反应堆是最有发展前途的能源系统之一,经欧盟、日、俄、中、美、韩等多国合作的国际热核聚变实验堆(ITER)就是一代表性进展标志[1].中国的双功能锂铅实验包层模块(Dual Function Lithium Lead-Test Blanket Module,DFLL-TBM)是主要研究方案之一,而液态锂铅鼓泡器(Liquid Lithium Lead Bubbler,LLLB)是其重要的辅助系统,依靠气液接触实现液态锂铅中有效的氚提取[2].为了完成LLLB的工程设计与建造,必须了解氢同位素、尤其是氚在锂铅合金中的动力学和热力学行为,包括氚在这种特殊材料中的溶解性质、扩散性质和渗透性质.就扩散而言,目前的文献多集中于研究氚在含锂的氧化物陶瓷中的扩散,在各种单质金属、合金、金属氧化物、不锈钢中的扩散,而锂铅合金中的扩散较为罕见,本文从氢在金属中扩散的宏观规律出发,依据平板模型初步建立了氚.锂铅体系的扩散模型,利用相关文献数据,探讨了不同研究方式、氚浓度、温度对扩散行为的影响,分析了这种扩散的微观机制,为今后开展实验测量提供理论支持.1理论模型

在金属晶体中若存在化学势梯度,如浓度梯度、应力梯度或温度梯度等,就会导致氢的扩散[9].氢的正常扩散遵守Fick´s定律可见,在稳态时氚的深度分布不再是线性的.

由上述分析可以得出:在不同条件下,扩散方程的解可给出指定时刻氚在锂铅中的浓度分布,实验上只需要测定锂铅中氚浓度按深度的分布,然后把实测的数据对扩散方程进行拟合,便可求得D值.而文献[10]是利用渗透率与扩散系数的关系,通过膜渗透法得到的.

根据以前针对液态金属与氢同位素相互作用的研究结论[11-12],氚在锂铅合金中是以原子形式进行扩散,存在氚浓度分布有显著差别的3个区域:(1)具有极高氚浓度的表面区;(2)氚的质量迁移强烈受扩散机制控制的体扩散区;(3)氚浓度沿深度分布的变化极小、迁移速度很快、在晶粒界面间发生迁移的晶界扩散区.扩散的一般过程为:氚分子在锂铅合金表面吸附,离解成原子进入基体内,然后通过由填隙位一填隙位或填隙位一空位一填隙位进行体扩散(有时也发生晶界扩散),氚原子一旦扩散到空洞或合金表面便又结合成氚分子释出,这种过程可称为间隙机制,即从一个间隙位跳到另一个间隙位,(3)式中的扩散激活能QD是氢原子迁移到相邻间隙位必需克服的势垒,假设间隙原子进行简谐振动,则有2结果与讨论2.1不同研究方法对扩散的影响

图2是不同方法得到的氚在锂铅合金中的扩散系数.从图2明显看出相互的差别较大.这可以从本质上,即控制扩散机制上来解释这一问题.氚在锂铅中的扩散是表面扩散、体扩散和晶界扩散的综合表现,受扩散速度最慢步骤的制约.而氚在锂铅中的晶界扩散速度比体扩散速度快几个量级,而体扩散速度又比表面扩散速度快几个量级,表面扩散最慢,显然实验测量的扩散系数受表面扩散机制的制约.采用膜渗透法计算的扩散系数首先有一个假定,假定氚对膜的渗透是完全由体扩散机制控制的,这显然与上述理论缺乏一致.采用氢外延法[13]得到的扩散系数较低,是因为未考虑氢同位素原子质量的改变,如(12)式所示,扩散频率因子与氢同位素的相对原子质量相关

本文的平板模型法虽然相对简单,但它回避了材料的表面状态,或者说,首先承认了锂铅的表面成分、氧化物种类、杂质含量以及缺陷等微观结构对氚扩散的影响最大,承认了氚扩散阻挡层的存在.数据结果介于膜渗透法与氢外延法之间,我们认为有比较高的可信度.2.2氚浓度对扩散的影响

从原子或分子的微观角度考察氚在材料中的扩散,必须立足于大量质点的统计行为,因为单一的原子在材料中的运动是一种无规则的热运动,其运动轨迹和路线难以预测.氚在锂铅合金中的扩散,其宏观驱动力是气体的浓度梯度.在锂铅中溶解的氚,由于存在浓度梯度,可能出现较多的氚原子向浓度降低的方向移动,尽管每个单独的原子向较高浓度方向的跃迁与向低浓度方向的跃迁概率完全一样.图3是根据(11)式得到的氚浓度对扩散系数的影响,可以看出,氚浓度升高时,氚原子间的相互作用使活度系数下降,扩散激活能增加,扩散系数下降.2.3温度对扩散的影响

从图2可以看出,随着温度的升高,扩散系数D也有所增加,根据相干隧道扩散机制和经典机制,间隙氚原子通过锂铅金属品格的运动像自由电子一样,直接从一个间隙位的振动基态跃迁到相邻间隙位的基态,这需要必须克服势垒,即氚原子跃迁需要活化能,促使扩散原子振动加强,达到能量最大点(一般来说跃迁所需的活化能大于原子的平均能量).扩散系数依赖于原子跃迁频率,而跃迁频率υ随温度的升高而增加,如(15)式所示值得一提的是,随着温度的升高,氚在金属中的扩散行为,除了相干隧道扩散机制和经典机制起作用外,非相干(或声子辅助)隧道扩散机制和高温机制也在发挥作用.前者是指被占间隙位的基态能级与相邻的空间隙位的基态能级不同,需要声子辅助使晶格建立一种“符合组态”,使两者相等以便氚原子能够发生隧道扩散;后者是把氚原子在一个间隙位的驻留时间看作是与两个相邻位置之间的飞行时间相仿.3结论

依据氢在金属中扩散的宏观规律初步建立了氚一锂铅体系的扩散模型,针对不同时间阶段文献发表的实验数据和拟合结果,探讨了不同研究方式、氚浓度、温度对氚在锂铅合金中扩散行为的影响,分析了这种扩散的微观机制,结果表明:扩散系数受表面扩散机制的制约,锂铅合金组成、缺陷对氚扩散的影响最大;在一定温度范围内,氚浓度的升高引起扩散系数的下降,温度的升高引起扩散系数的增加,

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