[发明专利]一种再生ZrCo基氢同位素贮存材料的方法

说明书

本发明公开了一种再生ZrCo基氢同位素贮存材料的方法，即将待再生的ZrCo基氢同位素贮存材料置于温度为T、氢气压力为P的条件下处理10 min~300 min，即再生完成，所述T、P的关系为P（bar）＜0.005×T（℃）－2.71。本发明方法克服了现有ZrCo基氢同位素贮存材料不能在较高温度下使用，且发生歧化反应后ZrCo基氢同位素贮存材料再生工艺复杂、氢同位素回收困难、再生成本高的不足，具有方法简单、再生效果显著且再生成本较低的优势。

技术领域

本发明涉及氢同位素储存与供给技术领域，具体涉及一种再生ZrCo基氢同位素贮存材料的方法。

背景技术

随着化石能源的急剧减少以及环境问题的日益严重，开发一种可再生的清洁能源已经成为一项迫在眉睫的任务。其中，由于聚变反应堆以氢同位素气体为核燃料，即通过燃烧氘氚等离子体从而释放出巨大的能量，但并不产生高放射性废物，是一种优良的清洁能源，因此受到了人们的重点关注。设计建造的国际热核实验反应堆（ITER）和筹建的中国聚变工程实验堆（CFETR）的目的之一即是开发利用该清洁能源。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。

考虑到氚具有放射性，相比于气态、液态的贮存方式，固态贮存在安全性、高效性以及操作简便性方面具有明显的优势，并且考虑到氘和氚都是氢的同位素，因而储氢技术也可用于氘、氚的贮存与供给，而通过固态金属或合金在较低温度、较低氢压下吸氢或放氢，即可实现氢同位素的贮存与供给。因此，利用金属氢化物可逆吸/ 放氢的特性，选择合适的氢化物，即可进行固态氢同位素（氕、氘、氚）的安全贮存、转移、泵输、纯化与捕集。

ZrCo基合金由于具有低的平衡离解压、快的吸氢速率、非核、低自燃以及贮氚时材料的稳定性，已经成为ITER设计中氢同位素贮存与供给的重要备选材料。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（2ZrCo + H₂ → ZrH₂ + ZrCo ₂，2ZrCoH₃ → ZrH₂ + ZrCo ₂ + 2H₂），由于ZrH₂的分解温度（＞700℃）比ZrCo氢化物高得多，在通常情况下ZrCo ₂也不会发生吸/放氢反应，因而会造成氢同位素的显著滞留，致使ZrCo合金的可逆吸/放氢容量、动力学和循环性能发生严重衰减，导致其储氢性能恶化，因此在实际使用过程中需要对歧化后的ZrCo基合金进行再生处理，使其从歧化态重新转化为ZrCo合金态，从而恢复其氢同位素储存的能力。

大量研究结果已经揭示，决定ZrCo基合金是否发生歧化以及歧化程度的关键因素为温度和氢压。一般来说，温度越高或氢压越高，越容易诱发ZrCo发生歧化。例如，Shim等的研究表明（Shim M, Chung H, Cho S, Yoshida H. Disproportionationcharacteristics of a zirconium-cobalt hydride bed under ITER operatingconditions [J]. Fusion Sci Technol, 2008, 53: 830-840.），当温度高于350℃、氢压大于3.1 kPa时ZrCo基合金对歧化就会非常敏感。因此，为了尽量避免ZrCo基合金歧化，在实际应用过程中都是控制在较低温度下使用，但这相应会导致ZrCo基合金的放氢量和放气速率较低，对ZrCo基合金的应用和推广十分不利。