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CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2017年  > 学位论文
题名:
钍基熔盐堆氚吸附与储存用LaNi_(4.25)Al_(0.75)和ZrCo合金性能改进研究
作者: 吕丽君
学位类别: 博士
答辩日期: 2016
授予单位: 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
导师: 李晓林
关键词: 钍基熔盐堆 ; ; 元素替代 ; 储氢性能 ; LaNi4.25Al0.75基合金 ; ZrCo基合金 ; 歧化
中文摘要: 随着社会经济的发展,能源消耗持续增长。传统化石能源的大量开发和使用导致了大气污染和生态环境的破坏。核电是一种不产生酸雨及温室气体的“清洁能源”。因此,利用核电增加能源供应,是优化能源结构、应对气候变化、实现低碳发展的有效途径。中国科学院战略先导研究专项—钍基熔盐堆(Thorium-based molten salt reactor,TMSR)核能系统的研究目标是研发第四代裂变反应堆核能系统。然而,与其它类型的裂变反应堆核能系统不同,TMSR在运行过程中,除堆控制系统中的B元素受中子辐照产生氚外,熔盐中的Li、Be元素受中子辐照,也会产生一定量的氚。氚(3H)是氢的β放射性同位素。它是一种重要的资源,在国防科技和国民经济中都有着广泛的应用。同时,由于氚的放射性,若直接排放到自然环境中,必定会污染环境,危害人体健康。因此,在TMSR的研发中,必须解决氚回收和安全储存的问题。气态氚通常采用合金存储,即以金属氚化物的方式进行存储较为安全可靠。因此,一些储氢金属成功地被应用于氚的回收和储存。在这些储氢合金中,ZrCo合金储氚具有与金属铀相媲美的一些优点。所以在国际热核聚变实验堆(International thermonunclear experimental reactor,ITER)计划中,多国将ZrCo合金作为氚燃料工厂中的氚储存和传输材料。但是,ZrCo合金目前在使用中还存在缺陷,其使用温度必须控制在400℃以下,否则,歧化反应将使氚难以被释放。LaNi4.25Al0.75合金是另一种可应用于氚长期储存的材料。其具有较强的抗歧化、抗毒化能力和良好的固氦能力,但其氚化物室温平台压与金属铀相比仍然偏高。因此,多年来人们一直在研发室温平台压低、放氚条件温和储存量大的储氚合金。所以,本课题根据TMSR研发项目中氚回收和安全储存的实际需求,针对ZrCo和LaNi4.25Al0.75合金各自具有的优缺点,开展LaNi4.25Al0.75和ZrCo合金储氢性能改进研究,以期提升其储氢量、活化性能、动力学性能和安全性,以及降低其平台压,具有重要的科学意义和现实意义。氚是一种放射性元素,一般实验不能开展有关氚气的试验。但是,氚与氢有相同的化学性质,且氢和氚与合金反应生成的氢化物和氚化物具有相同化学计量组成。因此,有关储氚合金的开发研究,大多都是先使用氢替代氚,进行储氚性能实验研究。故在本论文课题的全部实验研究中,都使用氢替代氚进行合金的储氚特性研究。本论文中选择了lani4.25al0.75-基和zrco-基合金作为主要研究对象,通过元素替代的方法,利用x射线衍射仪(xrd)、扫描电镜分析(sem)、差示扫描量热仪(dsc)、等离子体原子发射光谱(icp-oes)、储氢性能综合测试装置等表征和测试技术,系统地研究了铸态和热处理态的mg含量对la(1-x)mgxni4.25al0.75合金的相结构、吸放氢特性、热力学性能和吸放氢动力学性能的影响规律。对于zrco合金,系统地研究了cu、cr、mn、al元素替代co元素位对合金的晶体结构、吸放氢特性、热力学性能与歧化动力学的影响。研究过程中,为了完成zrco系列合金储氢性能测试,自行设计和搭建了低压储氚合金储氢性能综合测试装置,并对该装置进行了标定。合金性能改进研究工作取得以下主要结果:采用冷坩埚感应熔炼法制备了铸态la(1-x)mgxni4.25al0.75(x=0.0,0.1,0.2,0.3)系列合金,当x为0.0和0.1时,合金由cacu5型lani4al单相组成。当mg含量升高至0.2和0.3时,合金内形成了第二相,即puni3型(la,mg)ni3和aucu3型alni3相,且第二相的相丰度随着mg含量的增加而升高。此外,mg元素的替代使合金内主相lani4al的晶胞体积随着mg元素含量升高而减小。随着mg替代量的增加,合金只有一个平台压区,合金的吸放氢平台压升高,储氢量有所减少。合金储氢量的减少主要是由alni3相含量增加所致。随着x从0.1升高至0.3,合金的吸氢动力学速度变快,合金吸氢动力学的速率控制步骤均为扩散控制。该结果暗示添加mg元素有可能开发出动力学性能优良的储氚合金。对于热处理后的La(1-x)MgxNi4.25Al0.75(x=0.0,0.1,0.2,0.3)系列合金,在x=0.0和0.1时,只有LaNi4Al单相。当x=0.2和x=0.3时,合金内除了主相LaNi4Al外,同样有第二相(La,Mg)Ni3和AlNi3相的形成,第二相相丰度随着Mg含量的升高而增加,LaNi4Al主相的相丰度相应降低。x为0.0和0.1时,合金内仅有一个平台压区,而x升高至0.2和0.3时,出现了两个平台区。随着x由0.2升高至0.3,合金的吸放氢平台压升高。同时,363K下它们的储氢量从0.97 wt.%降至0.79 wt.%。Mg添加量是0.1的合金,其平台压和储氢量与LaNi4.25Al0.75合金几乎相同,但其吸氢动力学性能优于LaNi4.25Al0.75合金。采用电弧熔炼炉制备了ZrCo0.8M0.2(M=Co、Cu、Cr、Mn、Al)合金,其中ZrCo和ZrCo0.8Cu0.2由立方结构的ZrCo相组成。但Cr、Mn、Al元素的替代使合金析出了第二相,Cr元素替代形成了Zr2Co和ZrCr2相;Mn元素替代形成了Zr2Co和ZrMn2相;Al元素替代形成了Zr6CoAl2和Zr3Co相。Cr和Mn元素的添加使合金晶格体积减小,而Cu和Al元素的添加使合金的晶格体积增大。ZrCo0.8M0.2合金的放氢量随着Cr、Mn和Al的替代下降幅度大,主要原因是合金内第二相放氢量过低。这几种元素替代对合金放氢平台压的影响不明显,放氢平台压基本无变化。Cr和Mn元素替代Co位能有效提高ZrCo合金的活化性能,加快合金活化速率,大大缩减了合金活化时间。此外,ZrCo0.8M0.2合金的歧化反应程度随着不同元素的添加而出现了不同程度的增大。但Cr和Mn元素的添加能够降低歧化反应速率。这是由于Cr和Mn元素的添加减小了氢原子占据间隙的尺寸,从而减少了氢原子占据不稳定间隙位置的数量,降低了歧化反应发生的驱动力,从而使合金发生歧化反应的速率减小。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/26075
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作者单位: 中国科学院上海应用物理研究所

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吕丽君. 钍基熔盐堆氚吸附与储存用LaNi_(4.25)Al_(0.75)和ZrCo合金性能改进研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所). 2016-01-01.
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