[发明专利]具有抗高温氢歧化性能的储氢同位素Zr-Co-M合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种储氢同位素合金材料，具体而言，涉及一种具有高温效抗氢诱发歧化反应的Zr-Co-M(M＝Ti或Hf)合金。

背景技术

核工业中常常应用重水(D₂O)作原子裂变反应堆的冷却剂和中子减速剂，氚则是核聚变反应的主要核燃料。同时由于氚具有放射性，回收核聚变反应废物中的氚，以减少氚的释放而污染大气环境至关重要，因此氢同位素的分离与回收在核工业中具有重要意义

从上世纪五六十年代以来，U就由于其室温吸氢平台压低(低于10^-2Pa)、吸氢量大、同位素效应较好等特性而成为核反应堆中普遍使用的材料[W.T.Shamyda，Journal of the Less-Common Metals，104(1984)239-250]，但使用铀的缺点也相当明显：如有放射性、易自燃、易粉化堵塞系统等。因此，从安全使用角度，各国开始竞相开发新的储氢同位素性能类似U但不具备U的缺点的代U材料。初期的研究是通过添加其他元素与铀形成金属间化合物而降低铀的自燃性。添加的元素包括Ti、Ni、Al、Zr、Mo、Cr等，但效果均不够理想，如添加Ti形成U₂Ti合金，其吸放氢过程出现两个平台；添加Co形成UCo合金，该合金室温放氢平台压高达6～12Pa，不适于氢及其同位素氚的储存。后来，人们逐渐把注意力转向完全替代铀的储氢合金，其中以ZrCo、合金最具有代表性。ZrCo合金的储氚性能与铀相近，但比铀有以下优点：(1)储氢容量高(U最大储氢1.2wt％，ZrCo最大储氢1.9wt％)；(2)无放射性；(3)不易自燃；(4)吸氚后体积膨胀率(约20％)比铀(约75％)小，合金的抗粉化性能好，避免了粉尘对系统的污染。鉴于ZrCo合金上述优势，国际热核聚变实验堆计划(ITER)已将ZrCo合金作为了金属铀的替代材料，应用到某些氚工艺场合[Satoshi Konishi，Fusion Engineering and Design 10(1989)355-358；Vered Batz，Isaac Jacob，Moshe H.Mintz，Zamir Gavra，Joseph Bloch，J.Alloys Comp.325(2001)137-134]。

ZrCo合金虽然具有上述一系列有点，但它的高温氢诱发歧化性能对大规模使用ZrCo合金提出了挑战。高温氢诱发歧化是指当ZrCo合金在室温吸氢形成ZrCoH₃后，被加热到673K以上温度、0.1MPa以上压力氢条件下，合金能够放出氢的容量随着时间的延长出现大幅下降的现象。已有的研究表明，ZrCo合金的高温氢诱发歧化反应的主要原因，是在高温和较高压力氢作用下ZrCoH₃分解生成不吸氢的ZrCo₂相和热稳定性更高的ZrH₂所致[Masanori Hara，Toshio Okabe，Katsunori Mori，Kuniaki Watanabe，Fusion Engineering and Design 49-50(2000)831-838]，因此研究具有抗高温氢诱发歧化性能的ZrCo合金已成为氚工艺材料中的研究热点之一。

发明内容

本发明目的在于研制一种具有与ZrCo合金类似的储氢性能，且具有抗高温氢诱发歧化性能的储氢同位素合金。

为实现上述目的，本发明提供一种通式为Zr_1-xM_xCo的合金，其中M＝Ti或Hf，0.1≤x≤0.3。

本发明的有益效果在于，上述Zr_1-xM_xCo合金的室温低吸氢平衡压力低于0.1Pa，0.10Mpa氢分解吸附温度不高于673K，室温最大储氢容量不小于1.7wt％，而同等温度和氢压力使用条件下的抗高温氢诱发歧化性能比ZrCo合金提高4倍以上。

附图说明

图1ZrCo合金673K、0.1MPa初始氢压下的歧化动力学曲线；

图2Zr_0.8Ti_0.2Co合金673K、0.1MPa初始氢压下的歧化动力学曲线；

图3Zr_0.7Hf_0.3Co合金673K、0.1MPa初始氢压下的歧化动力学曲线；

图4Zr_0.9Hf_0.1Co合金673K、0.1MPa初始氢压下的歧化动力学曲线。

具体实施方式