CN105385975B - 一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法 - Google Patents

一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105385975B
CN105385975B CN201510836836.XA CN201510836836A CN105385975B CN 105385975 B CN105385975 B CN 105385975B CN 201510836836 A CN201510836836 A CN 201510836836A CN 105385975 B CN105385975 B CN 105385975B
Authority
CN
China
Prior art keywords
zrco
hydrogen
reactor
based alloys
room temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510836836.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105385975A (zh
Inventor
寇化秦
桑革
罗文华
黄志勇
张光辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Materials of CAEP
Original Assignee
Institute of Materials of CAEP
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Materials of CAEP filed Critical Institute of Materials of CAEP
Priority to CN201510836836.XA priority Critical patent/CN105385975B/zh
Publication of CN105385975A publication Critical patent/CN105385975A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105385975B publication Critical patent/CN105385975B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/186—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法，包括：（1）将初次使用或性能衰减后的ZrCo基合金于室温～500℃的范围内进行抽真空预处理；（2）充入10～500kPa的高纯氢气，并使预处理后的ZrCo基合金于室温～400℃的范围内进行吸氢处理；（3）将吸氢至饱和的ZrCo基合金于350～500℃的范围内进行脱氢处理，得到活化后的ZrCo基合金。本发明方法简单、活化效果突出，能够有效缩短ZrCo基合金在实际应用过程中的活化时间，使ZrCo基合金在初次使用时或性能衰减后具有全新的氢同位素储存活性，这对于促进ZrCo合金在氢同位素储存领域的应用和推广来说，具有重要的意义。

Description

一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法
技术领域
本发明涉及氢同位素储存与供给技术领域，具体涉及的是一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法。
背景技术
能源是人类社会生存和发展的物质基础，清洁的环境是人类社会可持续发展的保障。近年来，由于化石能源的过度开发与使用而引起的能源危机与环境问题，成为了全世界关注的焦点。
开发出一种清洁、可再生的新能源已经成为一项迫在眉睫的任务。核聚变能由于它的清洁性、安全性、永久性正受到人们的广泛关注。而聚变反应堆是以氢同位素气体为核燃料的，例如，国际热核实验反应堆（International Thermonuclear ExperimentalReactor，ITER）就是通过燃烧氘氚等离子体从而释放出巨大的聚变能。由于在聚变反应堆运行时，必须根据实际运行场景为其供给或回收氢同位素气体，加上氚的稀缺性与放射性，因此在实际使用过程中实现氢同位素安全高效地储存与供给，是聚变能大规模发展与应用的关键。
利用金属氢化物可逆吸/放氢的特性，选择合适的氢化物可以进行氢同位素（氕、氘、氚）的安全贮存、转移、泵输、纯化与捕集。因为铀由于具有低的室温离解氢压（~10-3Pa）、宽的氢压平台、快的吸氢速率以及稳定的吸/放氢性能，早已应用于氚的贮存、输运等方面。但铀是放射性材料，且易高度粉化和遇空气剧烈燃烧，因而其应用受到严重限制。
ZrCo基合金不仅有与铀相近的室温离解氢压（~10-2Pa），同时贮氚容量比铀高，固氦性能比铀优越，且不存在自燃和放射性等安全问题，比铀使用更为方便，因此被认为是最有可能取代铀而用作氚的贮存材料。在ITER的概念设计中，也将ZrCo基合金作为其氘氚核燃料循环系统中氘氚气体储存与供给的重点备选材料。
然而，本申请发明人在ZrCo基合金用于氢同位素处理的过程中却发现，它在多次吸放氢（H、D、T）循环后会发生歧化反应，从而导致其储氢性能发生恶化，因此在实际使用过程中需要定期对其进行活化处理，使其恢复氢同位素储存的能力。此外，在初次使用ZrCo基合金时也需要对其进行活化，使其同位素储存能力处于活化状态。在ITER聚变反应堆运行过程中，氢同位素气体的供给和回收都有速度和时间的限制。因此，快速、高效地完成ZrCo基合金的活化对于它在聚变反应堆中的应用具有显著的意义。
关于ZrCo基合金氢同位素储存与供给性能的研究已经有很多报道，但涉及ZrCo基合金的活化研究较少，一般都是简单地提及研究时所采用的活化工艺，对ZrCo基合金的活化方法与工艺的优化并无系统的研究，活化参数的选择也无明确的依据。例如，Shim 等人在论文（M. H. Shim, H. Chung, S. Paek, et al. Characteristics of ZrCo Alloy for The Storage of Hydrogen Isotopes. Journal of The Korean Physical Society, 2006, 49, S369-73.）中所提及的活化方法总共为4步：首先在400℃抽真空3h；其次在100℃吸氢，接着300℃抽真空；然后在室温吸氢，300℃抽真空放氢；最后再在400℃抽真空放氢3h。Jat等人（R. A. Jat, S. C. Parida, J. Nuwad, R. Agarwal, S. G. Kulkarni. Hydrogen sorption-desorption studies on ZrCo-hydrogen system. J. Therm. Anal. Calorim., 2013, 112, 37-43.）提及的活化方式则为：先在500℃抽真空4h至10-5Pa，再在300℃通入氢气进行吸氢处理并冷却至室温；然后在500℃抽真空3h、600℃抽真空1h；整个过程重复2次。可见，各种报道所提及的ZrCo基合金活化工艺不尽相同，有的报道涉及的活法方法更是十分繁杂与费时，根本无法判断什么样的工艺方法以及活化参数才是较为高效的，对ZrCo基合金的应用和推广十分不利。因此，提出一种快速、高效、简便的活化ZrCo基合金的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法，解决现有ZrCo基合金的活化方法存在工艺复杂、活化时间长、活化效果不明显的问题。
为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：
一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法，包括以下步骤：
（1）将初次使用或性能衰减后的ZrCo基合金于室温～500℃的范围内进行抽真空预处理，预处理的时间为10～180min；
（2）充入10～500kPa的高纯氢气，并使预处理后的ZrCo基合金于室温～400℃的范围内进行吸氢处理；
（3）将吸氢至饱和的ZrCo基合金于350～500℃的范围内进行脱氢处理，得到活化后的ZrCo基合金，脱氢处理的时间为30～200min。
进一步地，所述步骤（2）中的高纯氢气包含有氢、氘、氚三种氢同位素中的一种或任意几种。
再进一步地，所述步骤（1）包括以下步骤：
（1a）在充有氩气的手套箱中，将初次使用或性能衰减后的ZrCo基合金称量后装入反应釜中，并用真空泵对反应釜进行抽真空的同时，以5～10℃/min的升温速率将反应釜升温至300～500℃；
（1b）反应釜升温至300～500℃后，继续抽真空30～60min，然后炉冷至100℃～室温，炉冷的同时继续抽真空。
更进一步地，所述步骤（3）包括以下步骤：
（3a）对反应釜进行抽真空，同时以5～10℃/min的升温速率将反应釜升温至350～500℃；
（3b）反应釜升温至350～500℃后，继续抽真空30～60min，进行脱氢处理；
（3c）对反应釜进行炉冷，至室温时停止，炉冷的同时继续抽真空。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
针对现有ZrCo基合金活法方法存在工艺混乱、步骤复杂、活化时间长、活化效果不明显等缺点，本发明将理论与实践相结合，通过合理的工艺设计和活化参数的优化，从而快速、高效地实现了ZrCo基合金氢同位素储存能力的活化和重生，可以在保证活化效果的同时，缩短活化时间、简化活化工艺，使ZrCo基合金在初次使用时或性能衰减后具有全新的氢同位素储存活性，因此，本发明对促进和推广ZrCo基合金在聚变能领域的应用具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明实例1、实例2、实例3、实例4中经过预处理之后，进行氢化处理时的吸氢曲线；
图3为本发明实例1、实例2、实例3、实例4中经过氢化处理后样品的XRD图谱；
图4为本发明实例1、实例2、实例3、实例4中经过脱氢处理后样品的XRD图谱；
图5为本发明实例2中活化过程中的吸氢曲线与活化后吸氢曲线的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本发明提供了一种活化ZrCo基合金的方法，其所针对的是初次使用或者性能衰减后的ZrCo基合金的活化，如图1所示，本发明具体的活化过程如下：
（1）将ZrCo基合金于室温～500℃的范围内进行抽真空预处理，预处理的时间为10～180min；
（2）充入10～500kPa的高纯氢气，并使预处理后的ZrCo基合金于室温～400℃的范围内进行吸氢处理，该步骤中，高纯氢气中包含有氢（H）、氘（D）、氚（T）三种氢同位素中的一种或多种；
（3）将吸氢至饱和的ZrCo基合金于350～500℃的范围内进行脱氢处理，得到活化后的ZrCo基合金，脱氢处理的时间为30～200min。
下面以几个实例对本发明活化ZrCo基合金的过程以及其实验所得到的结果进行举例说明。
实例1
在充有氩气的手套箱中，将初次使用时的或性能衰减后的ZrCo基合金称量后装入反应釜中，然后用真空泵对反应釜进行抽真空，如此操作，可以使ZrCo基合金处于惰性气体（氩气）的保护氛围中，防止其接触空气发生氧化，影响其吸氢的性能。反应釜在抽真空的同时，还以5℃/min的升温速率将其升温到300℃。在反应釜温度达到300℃后，继续对其抽真空60min，而后，随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的同时抽真空。通过对反应釜的升温、冷却及抽真空，可以为ZrCo基合金吸氢做好前期准备。
接着，向反应釜中充入80kPa的高纯氢气，进行吸氢，其吸氢曲线如图2所示。待ZrCo基合金吸氢饱和后（氢化产物如图3所示），再次对反应釜抽真空，同时以5℃/min的升温速率将反应釜升温到350℃。在反应釜温度达到350℃后，继续对其抽真空60min进行脱氢处理，然后，随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的过程中同时抽真空，到室温时停止抽真空，得到活化后的ZrCo基合金，如图4所示。
实例2
与实例1一样，在充有氩气的手套箱中，将初次使用时的或性能衰减后的ZrCo基合金称量后装入反应釜中，然后对反应釜进行抽真空，并同时以10℃/min的升温速率将反应釜升温到500℃。在反应釜温度达到500℃后，继续对其抽真空30min，然后随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的同时抽真空。
向反应釜中充入80kPa的高纯氢气，进行吸氢，其吸氢曲线如图2所示。待ZrCo基合金吸氢饱和后（氢化产物如图3所示），再次对反应釜抽真空，同时以10℃/min的升温速率将反应釜升温到500℃。在反应釜温度达到500℃后，继续对其抽真空30min进行脱氢处理，然后，随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的过程中同时抽真空，到室温时停止抽真空，得到活化后的ZrCo基合金，如图4所示。
将活化后的ZrCo基合金在室温、80kPa氢压下进行吸氢，可发现吸氢速率显著加快，说明确实获得了活化效果，如图5所示。将吸氢后的ZrCo基合金在500℃下抽真空60min，然后再次在室温、80kPa氢压条件下进行吸氢，可以发现，第二次吸氢与第一次吸氢的速率一致，没有进一步加快的趋势，如图5所示，说明ZrCo基合金经过一次活化工艺即可完成活化，效率较高。
实例3
与实例1一样，在充有氩气的手套箱中，将初次使用时的或性能衰减后的ZrCo基合金称量后装入反应釜中，然后对反应釜进行抽真空，同时以8℃/min的升温速率将反应釜升温到500℃。在反应釜温度达到500℃后，继续对其抽真空50min，然后随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的同时抽真空。
向反应釜中充入1bar的高纯氢气，进行吸氢，其吸氢曲线如图2所示。待ZrCo基合金吸氢饱和后（氢化产物如图3所示），再次对反应釜抽真空，同时以5℃/min的升温速率将反应釜升温到400℃。在反应釜温度达到400℃后，继续对其抽真空60min进行脱氢处理，然后，随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的过程中同时抽真空，到室温时停止抽真空，得到活化后的ZrCo基合金，如图4所示。
实例4
与实例1一样，在充有氩气的手套箱中，将初次使用时的或性能衰减后的ZrCo基合金称量后装入反应釜中，然后对反应釜进行抽真空，同时以6℃/min的升温速率将反应釜升温到500℃。在反应釜温度达到500℃后，继续对其抽真空40min，然后随炉冷却反应釜至100℃，反应釜降温的同时抽真空。
向反应釜中充入80kPa的高纯氢气，进行吸氢，其吸氢曲线如图2所示，可以发现在100℃下的吸氢速率远比在室温下的快。待ZrCo基合金吸氢饱和后（氢化产物如图3所示），再次对反应釜抽真空，同时以10℃/min的升温速率将反应釜升温到450℃。在反应釜温度达到450℃后，继续对其抽真空60min进行脱氢处理，然后，随炉冷却反应釜至室温，反应釜降温的过程中同时抽真空，到室温时停止抽真空，得到活化后的ZrCo基合金，如图4所示。
本发明能够很好地用于ZrCo基合金氢同位素储存能力的活化与再生，具有活化简单、效果突出、时间短的优点，因此，相比现有技术来说，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想及精神原则下所作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的问题实质上与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将初次使用或性能衰减后的ZrCo基合金于室温～600℃的范围内进行抽真空预处理，预处理的时间为10～180min；该步骤包括以下步骤：
（1a）在充有氩气的手套箱中，将初次使用或性能衰减后的ZrCo基合金称量后装入反应釜中，并用真空泵对反应釜进行抽真空的同时，以5～10℃/min的升温速率将反应釜升温至300～500℃；
（1b）反应釜升温至300～500℃后，继续抽真空30～60min，然后炉冷至100℃～室温，炉冷的同时继续抽真空；
（2）充入10～500kPa的高纯氢气，并使预处理后的ZrCo基合金于室温～400℃的范围内进行吸氢处理；
（3）将吸氢至饱和的ZrCo基合金于350～600℃的范围内进行脱氢处理，得到活化后的ZrCo基合金，脱氢处理的时间为30～200min；该步骤包括以下步骤：
（3a）对反应釜进行抽真空，同时以5～10℃/min的升温速率将反应釜升温至350～500℃；
（3b）反应釜升温至350～500℃后，继续抽真空30～60min，进行脱氢处理；
（3c）对反应釜进行炉冷，至室温时停止，炉冷的同时继续抽真空。
2.根据权利要求1所述的一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的高纯氢气包含有氢、氘、氚三种氢同位素中的一种或任意几种。
CN201510836836.XA 2015-11-26 2015-11-26 一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法 Active CN105385975B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510836836.XA CN105385975B (zh) 2015-11-26 2015-11-26 一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510836836.XA CN105385975B (zh) 2015-11-26 2015-11-26 一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105385975A CN105385975A (zh) 2016-03-09
CN105385975B true CN105385975B (zh) 2017-07-07

Family

ID=55418740

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510836836.XA Active CN105385975B (zh) 2015-11-26 2015-11-26 一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105385975B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107298429B (zh) * 2017-04-18 2019-07-19 中国工程物理研究院材料研究所 一种再生ZrCo基氢同位素贮存材料的方法
CN108515187A (zh) * 2018-05-17 2018-09-11 四川大学 一种锆及锆合金氢化工艺优化的方法
CN112251647B (zh) * 2020-10-20 2021-11-09 浙江大学 具有正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金及其制备和应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4661415A (en) * 1984-10-27 1987-04-28 Nihon Yakin Kogyo Kabushiki Kaisha Hydrogen absorbing zirconium alloy
CN101067175A (zh) * 2007-03-29 2007-11-07 上海大学 钛铁基贮氢合金

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4661415A (en) * 1984-10-27 1987-04-28 Nihon Yakin Kogyo Kabushiki Kaisha Hydrogen absorbing zirconium alloy
CN101067175A (zh) * 2007-03-29 2007-11-07 上海大学 钛铁基贮氢合金

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Hydrogen sorption–desorption studies on ZrCo–hydrogen system";R.A.Jat等;《J Therm Anal Calorimeter》;20131030(第112期);第38页第3段 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105385975A (zh) 2016-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105385975B (zh) 一种快速高效活化ZrCo基氢同位素贮存材料的方法
Ciampichetti et al. Conceptual design of tritium extraction system for the European HCPB test blanket module
CN108411182B (zh) 一种Zr-Ti-Cr-V复相储氢合金及其制备方法
CN112877567B (zh) 一种适用于低压固态储氢的储氢合金及其制备方法
CN104318969B (zh) 一种高温气冷堆含氚废水优化收集系统及收集工艺
CN105347305B (zh) 一种氚气纯化系统
CN100486739C (zh) γ相U-Mo合金粉末的制备工艺
CN110562912A (zh) 一种提高ZrCo基氢同位素贮存材料吸放氢循环性能的方法
CN103752834A (zh) 氢气循环系统和氢气循环方法
CN114107856B (zh) 一种钛系储氢合金的储氢活性再生方法
CN100432249C (zh) 均恒强磁场下制备镁基储氢材料的方法及装置
CN105006264B (zh) 一种高温气冷堆氦净化再生系统及再生方法
CN112226663B (zh) 高循环容量ZrCo基氢同位素贮存合金及其制备和应用
CN104147928B (zh) 一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法
CN105645351A (zh) 一种氢化铝储氢材料及其制备方法
CN103111279B (zh) LiBH4基储氢材料的纳米硼化物催化剂及其制备、应用
CN101209817A (zh) 氢气产生系统及产生氢气的方法
Ni et al. Design and analysis on tritium system of multi-functional experimental fusion–fission hybrid reactor (FDS-MFX)
CN107298429B (zh) 一种再生ZrCo基氢同位素贮存材料的方法
CN112251647B (zh) 具有正交晶型结构的高循环稳定性能的ZrCo基氢同位素贮存合金及其制备和应用
CN103641066B (zh) 一种镁基储氢复合材料及其制备方法
CN204157150U (zh) 一种高产额中子发生器氦处理装置
CN204189469U (zh) 一种高温气冷堆含氚废水优化收集系统
Liu et al. Analysis of the whole process tritium transport based on fuel cycle modeling for CFETR
CN108689384A (zh) 一种复合储氢材料及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant