Ti元素改性对ZrCo系贮氚合金氦行为影响及机制研究

ZrCo alloy has great potential in the field of deuterium/tritium fuel storage, transport and recycling in magnetic confinement fusion reactor and other tritium-related system. However, tritium aging effects is urgently needed to focus on, which adversely affect the performance of ZrCo alloys and cause hazards to stability and reliability of nuclear fusion reactor and tritium-related system. This project intends to select the helium behavior in ZrCo alloy with Ti element modification as the research object. Zr-Ti-Co alloy containing helium is planned to be prepared via magnetron sputtering. And then thermal desorption behavior, crystal structure, microscopic aggregation and diffusion behavior of helium bubbles of Zr-Ti-Co alloy with helium containing will be studied. Meanwhile, influence of elements modification on characteristic energy, aggregation and diffusion behavior of helium in ZrCo are planned to be studied by first-principles and molecular dynamics calculation in multi-scale range. And finally experimental and theoretical results will be combined to explore mechanism of helium residence behavior in ZrCo alloy with Ti element modification. Implementation of this project will provide basic data and a solid foundation for ZrCo alloy as tritium storage materials in the applications of deuterium/tritium fuel cycle system and D/T neutron tube. And it will be a necessary complement for discipline system of tritium chemistry and technology, which is meaningful to both academic and engineering application.

ZrCo合金在磁约束核聚变堆等重要涉氚系统中氘氚核燃料贮存、输运及回收领域极具应用潜力。然而金属氚化物贮氚老化效应对其使用性能造成不利影响，从而给核聚变堆及相关涉氚系统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Ti元素改性ZrCo合金的氦行为作为研究对象。采用磁控溅射制备氦包埋Zr-Ti-Co合金，研究Zr-Ti-Co合金中氦的热脱附行为，合金的晶体结构变化以及氦泡微观聚集扩散行为。同时在多尺度范围采用第一性原理和分子动力学分别研究元素改性对ZrCo合金中氦在晶格中的占据特征能量以及聚集扩散行为的影响，最后结合实验和理论研究结果探索元素改性对ZrCo合金中氦驻留行为的作用机制。本项目的实施将为ZrCo系贮氚合金在氘氚燃料循环以及氘氚型中子管的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。

ZrCo合金在磁约束核聚变堆等重要涉氚系统中氘氚核燃料贮存、输运及回收领域极具应用潜力。本项目选择Ti改性ZrCo合金的氦行为作为研究对象。采用磁控溅射方法，通过调整Ar/He比制备不同氦含量包埋的ZrCo及Ti掺杂合金薄膜。采用ERDA技术测试样品中氦原子的浓度及深度分布，结果表明在QAr/QHe为1/1、1/3、1/6条件下制备得到了氦含量浓度分别为1.1 at.%、6 at.%、12 at.%的样品，氦均匀分布于薄膜中；采用TDS手段对含氦薄膜样品的氦热解吸行为进行研究，以获得样品中氦的可能的存在形式以及演化行为，采用GIXRD、SEM技术研究含氦样品的微观结构。氦热解吸结果表明Ti的掺杂有利于抑制ZrCo贮氚合金中氦的迁移、聚集和发展，提升相应捕陷位置中氦的释放温度；GIXRD图谱说明氦含量的增加会显著阻碍ZrCo和Zr-Ti-Co合金形成更高有序度的晶体结构，表现为氦含量越高，主峰的峰宽增加。SEM结果表明Zr-Ti-Co薄膜氦热解吸后的晶界密度更低，在高温条件下，其氦泡迁移合并的程度弱于ZrCo材料，需要更长的升温时间和更高的温度才能达到氦泡破裂释放的尺寸的晶粒尺寸，进一步说明掺杂Ti提升ZrCo合金的固氦能力。采用第一性原理研究Ti掺杂对ZrCo系统中氦的缺陷位占据、和迁移以及氦泡形核长大的影响。结果表明Ti掺杂可以显著增强空位俘获氦的能力，并通过减少势垒来增加氦俘获半径，从而抑制氦原子在晶界等位点的聚集体积；另外由于掺杂Ti的势垒较高，多He原子在空位的俘获能力较弱，表明掺杂Ti会抑制大型HemVac团簇的形成。由于掺杂Ti，Vac与HemVacn团簇的结合能力变得更弱。因此，掺杂Ti可能有助于抑制团簇的生长，阻碍了大氦气泡的形成。证实了Ti对ZrCo合金中He杂质的捕集作用以及对ZrCo合金中的间隙He迁移的阻碍作用，理论计算结果与实验数据很好的吻合，基于本项目研究结果可获得Ti元素改性对AB系合金体系固氦能力提升的作用机制。本项目发表SCI论文5篇，申请专利1项。本项目的实施将为ZrCo系贮氚合金在氘氚燃料循环以及氘氚型中子管的应用提供基础数据，并有力推进了该体系材料在重要涉氚工程系统(ITER/CFETR)中的应用。