ZrCo-M（M=Cr、Mo、Nb、Ta）合金储氢及抗歧化性能研究
发布时间：2021-11-21 23:34
快速消耗的化石能源和日益严重的环境问题迫使人类不断开发新能源,国际热核聚变实验堆（ITER）项目有望从根本上解决人类能源危机。氢同位素储存与供给系统（SDS）是ITER项目氚燃料循环系统的重要组成部分,需要使用储氢材料来储存和运输氢同位素。氚的放射性和稀缺性对储氚材料性能提出严苛要求,研制出满足使用条件的储氘材料是影响SDS性能的关键因素。ZrCo合金因具有无放射性、室温吸氢平衡压低、储氢量大、固3He能力强等优点,最有希望取代铀用于ITER项目SDS中。然而,ZrCo合金活化性能较差,且在高温高氢压条件下发生氢致歧化反应:2ZrCo+H2→ZrCo2+ZrH2,氢致歧化效应造成合金储氢性能大幅衰减。ZrCo合金氢致歧化效应严重阻碍其涉氚领域应用。合金元素掺杂是提高ZrCo合金活化性能和抗歧化性能的主要途径。然而目前很少有合金元素同时提高ZrCo合金活化性能和抗歧化性能,合金元素的选择及其对ZrCo合金活化性能、氢致歧化效应的影响规律和抗歧化机制均尚未明确。针对以上迫切需要研究的问题,本论文在综述ZrCo合金发展现状的基础上,采用真空电弧熔炼法制备了 Cr、Mo、Nb和Ta掺杂的ZrC...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２氚燃料循环系统示意图??３??
成稳定氚化物，加热后在较低温度下迅速释放氚，实现循环吸放氚过程，并在??循环过程中储氚性能不发生明显衰退。实际使用过程中，上述材料均存在一定的??缺点［１３，１８］，需要进一步研究以满足ＩＴＥＲ等涉氚项目的使用要求。??１．２金属储氢原理??氢气化学性质活泼，在一定温度和压强下，几乎能与所有的金属反应生成氢??化物。金属氢化物在降低氢压或升高温度条件下，释放晶格中的氢原子，在表面??形成并释放出氢气，完成放氢过程。??（ａ）?Ｂｕｌｋ?Ｈｙｄｒｉｄｅ?（ｂ）?Ｂｏｎｄｉｎｇ??图１－３金属材料吸氢过程示意图??４??
?ＺｒＣｏ－Ｍ?（Ｍ?＝?Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ）合金储氢及抗歧化性能研究???金属吸放氢过程如图１－３所示，主要分为如下四个步骤［１９］：??（１）氢分子在金属表面吸附并扩散，在金属表面能量较低处解离形成氢原??子。??（２）少量氢原子扩散进入金属内部间隙位置或缺陷位置，形成氢含量较低??的固溶体（ａ相），不改变金属晶体结构。??（３）氢原子在金属内部进一步扩散，氢原子浓度升高形成金属氢化物（Ｐ??相）。氢原子与金属之间形成化学键，晶体结构转变成金属氢化物相。在一定温??度条件下，氢化反应在一定氢压下进行。??（４）氢原子进－步扩散，与下层金属反应ｆｔ至全部生成氢化物。??金属放Ｍ过程分为三个阶段：??（１）金属氢化物Ｐ相分解成氢原子和ａｔｌｌ，氢原子通过ａ相向外扩散。??（２）氢原子扩散至ａ相表面，在表面形成Ｍ分子并释放到环境中。??（３）?ａ相分解成金属和氢原子，氢原子在金属表面形成氢分子并释放到环境??中。??ｗｎ?／?／??－?．１．．．?．?．１１?－．??Ｈ／Ｍ??图１－４金属氢化物吸氢ＰＣＴ曲线??金属吸放氢过程是一个可逆气固反应，其反应方程式如下：??ＭＨＸ?＋?＼／２（ｙ－ｘ）Ｈ２?＝?ＭＨｙ?＋?Ｑ?（１－５）??其中，Ｍ表示金属，Ｈ表示氢，Ｑ表示热量。金属氢化物和氢气相平衡图可以１１１??压强一成分一温度（ＰＣＴ）曲线来表示。当环境氢压大于平衡氢压时，金属吸??当环境氢压小于平衡氢压时，金属放氢。ＰＣＴ曲线和根据平衡氢压拟合获得的范??特祺夫曲线是衡Ｍ储鉍材料热力学怍能的市耍指标。典型的金厲一鉍ＰＣＴ曲线??如图丨－４所示，图中三条曲线分别代表三个不同温度。温度为乃时
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析全球能源互联网[J]. 车一鸣. 科技视界. 2015(31)
[2]Effect of Ti substitution on hydrogen storage properties of Zr1-xTixCo （x = 0, 0.1, 0.2, 0.3） alloys[J]. Yamin Zhao,Rongfeng Li,Ruihe Tang,Boyan Li,Ronghai Yu,Wei Liu,Huaqin Kou,Jianbo Meng. Journal of Energy Chemistry. 2014(01)
[3]Ti部分替代Zr对ZrNi0.6Co0.4合金储氢特性的影响[J]. 罗敬军,王树茂,刘晶,潘昌盛,刘晓鹏,蒋利军. 稀有金属. 2013(04)
[4]ZrH2颗粒热分解行为及对泡沫铝元素分布的影响[J]. 李大武,王克,孙挺,姚广春,李杰. 过程工程学报. 2010(02)
[5]节能和碳排放约束下的中国能源结构战略调整[J]. 林伯强,姚昕,刘希颖. 中国社会科学. 2010(01)
[6]Dehydrogenation characteristic of Zr1-xMxCo （M=Hf,Sc） alloy[J]. 谭功理,刘晓鹏,蒋利军,王树茂,李志念,李华玲. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2007(S1)
[7]Zr-Hf-Co合金储氢性能研究[J]. 谭功理,刘晓鹏,蒋利军,王树茂,李志念,李华玲. 西安交通大学学报. 2007(11)
[8]贮氢材料在氚技术中的应用[J]. 杨柯,宋莉,吕曼祺. 原子能科学技术. 2004(04)
[9]浅谈惯性约束核聚变[J]. 张杰. 物理. 1999(03)
博士论文
[1]ZrCo储氚合金抗歧化机理及掺杂改性的理论研究[D]. 杨果.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
[2]百克氚量级氢同位素储氢床研究[D]. 寇化秦.北京理工大学 2016
[3]钍基熔盐堆氚吸附与储存用LaNi4.25Al0.75和ZrCo合金性能改进研究[D]. 吕丽君.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2016
[4]抗氢致歧化ZrCo系贮氚合金研制及歧化机制研究[D]. 张光辉.中国科学技术大学 2015
[5]聚变堆燃料循环与氚资源可持续性研究[D]. 倪木一.中国科学技术大学 2013
本文编号：3510475
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２氚燃料循环系统示意图??３??
成稳定氚化物，加热后在较低温度下迅速释放氚，实现循环吸放氚过程，并在??循环过程中储氚性能不发生明显衰退。实际使用过程中，上述材料均存在一定的??缺点［１３，１８］，需要进一步研究以满足ＩＴＥＲ等涉氚项目的使用要求。??１．２金属储氢原理??氢气化学性质活泼，在一定温度和压强下，几乎能与所有的金属反应生成氢??化物。金属氢化物在降低氢压或升高温度条件下，释放晶格中的氢原子，在表面??形成并释放出氢气，完成放氢过程。??（ａ）?Ｂｕｌｋ?Ｈｙｄｒｉｄｅ?（ｂ）?Ｂｏｎｄｉｎｇ??图１－３金属材料吸氢过程示意图??４??
?ＺｒＣｏ－Ｍ?（Ｍ?＝?Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ）合金储氢及抗歧化性能研究???金属吸放氢过程如图１－３所示，主要分为如下四个步骤［１９］：??（１）氢分子在金属表面吸附并扩散，在金属表面能量较低处解离形成氢原??子。??（２）少量氢原子扩散进入金属内部间隙位置或缺陷位置，形成氢含量较低??的固溶体（ａ相），不改变金属晶体结构。??（３）氢原子在金属内部进一步扩散，氢原子浓度升高形成金属氢化物（Ｐ??相）。氢原子与金属之间形成化学键，晶体结构转变成金属氢化物相。在一定温??度条件下，氢化反应在一定氢压下进行。??（４）氢原子进－步扩散，与下层金属反应ｆｔ至全部生成氢化物。??金属放Ｍ过程分为三个阶段：??（１）金属氢化物Ｐ相分解成氢原子和ａｔｌｌ，氢原子通过ａ相向外扩散。??（２）氢原子扩散至ａ相表面，在表面形成Ｍ分子并释放到环境中。??（３）?ａ相分解成金属和氢原子，氢原子在金属表面形成氢分子并释放到环境??中。??ｗｎ?／?／??－?．１．．．?．?．１１?－．??Ｈ／Ｍ??图１－４金属氢化物吸氢ＰＣＴ曲线??金属吸放氢过程是一个可逆气固反应，其反应方程式如下：??ＭＨＸ?＋?＼／２（ｙ－ｘ）Ｈ２?＝?ＭＨｙ?＋?Ｑ?（１－５）??其中，Ｍ表示金属，Ｈ表示氢，Ｑ表示热量。金属氢化物和氢气相平衡图可以１１１??压强一成分一温度（ＰＣＴ）曲线来表示。当环境氢压大于平衡氢压时，金属吸??当环境氢压小于平衡氢压时，金属放氢。ＰＣＴ曲线和根据平衡氢压拟合获得的范??特祺夫曲线是衡Ｍ储鉍材料热力学怍能的市耍指标。典型的金厲一鉍ＰＣＴ曲线??如图丨－４所示，图中三条曲线分别代表三个不同温度。温度为乃时
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析全球能源互联网[J]. 车一鸣. 科技视界. 2015(31)
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[4]ZrH2颗粒热分解行为及对泡沫铝元素分布的影响[J]. 李大武,王克,孙挺,姚广春,李杰. 过程工程学报. 2010(02)
[5]节能和碳排放约束下的中国能源结构战略调整[J]. 林伯强,姚昕,刘希颖. 中国社会科学. 2010(01)
[6]Dehydrogenation characteristic of Zr1-xMxCo （M=Hf,Sc） alloy[J]. 谭功理,刘晓鹏,蒋利军,王树茂,李志念,李华玲. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2007(S1)
[7]Zr-Hf-Co合金储氢性能研究[J]. 谭功理,刘晓鹏,蒋利军,王树茂,李志念,李华玲. 西安交通大学学报. 2007(11)
[8]贮氢材料在氚技术中的应用[J]. 杨柯,宋莉,吕曼祺. 原子能科学技术. 2004(04)
[9]浅谈惯性约束核聚变[J]. 张杰. 物理. 1999(03)
博士论文
[1]ZrCo储氚合金抗歧化机理及掺杂改性的理论研究[D]. 杨果.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2019
[2]百克氚量级氢同位素储氢床研究[D]. 寇化秦.北京理工大学 2016
[3]钍基熔盐堆氚吸附与储存用LaNi4.25Al0.75和ZrCo合金性能改进研究[D]. 吕丽君.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2016
[4]抗氢致歧化ZrCo系贮氚合金研制及歧化机制研究[D]. 张光辉.中国科学技术大学 2015
[5]聚变堆燃料循环与氚资源可持续性研究[D]. 倪木一.中国科学技术大学 2013
本文编号：3510475
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