氘氚可控核聚變能被譽為“人造太陽”，是人類實現(xiàn)能源革命，獲得清潔、安全、高效終極能源的希望所在。為保證聚變堆的穩(wěn)定高效運行，迫切需要發(fā)展氫同位素貯存與供給系統(tǒng)（SDS）相關材料及工程技術，以實現(xiàn)氫同位素比例穩(wěn)定的氘氚燃料快速供給（要求氫同位素效應低）。ZrCo合金憑借其室溫吸氫坪臺壓低、吸放氫速率快、固氦性能好、安全無輻射以及低自燃等優(yōu)點，被認為是適用于SDS貯供氘氚的最佳候選材料。然而，由于氣固兩相氫同位素能量差異，ZrCo合金在釋氫過程中的顯著氫同位素效應會嚴重干擾燃料供給時氫同位素比例的精準控制，從而影響其在SDS中的進一步應用。分離因子α是一種常用的氫同位素效應描述指標，但會隨溫度升降而發(fā)生動態(tài)變化，無法用于準確定量評判氘氚燃料實際處理過程中的氫同位素比例波動程度。此外，金屬氫化物中間隙氫原子的配位環(huán)境決定了氣固相間氫同位素能量差異，從而影響材料的氫同位素效應，合理設計金屬氫化物體系的局域配位環(huán)境是實現(xiàn)氫同位素穩(wěn)定供給的重要手段。
有鑒于此，浙江大學材料科學與工程學院陳立新教授和肖學章副教授團隊聯(lián)合中國工程物理研究院材料研究所羅文華和寇化秦研究員團隊開展了長期的合作研究，在深入查明ZrCo合金氫同位素效應規(guī)律及內在機理的基礎上，首次提出了SDS應用工況下的氫同位素效應工程應用評價指標Tgap以及實現(xiàn)金屬氫化物體系氫同位素穩(wěn)定供給的局域配位設計策略，并結合第一性原理計算設計研制出具有比較理想氫同位素工程應用功效的Ti-Pd共摻ZrCo基新型合金。
該項研究成果以“Isotope engineering achieved by local coordination design in Ti-Pd co-doped ZrCo-based alloys”為題于2024年4月3日，在Nature Communications期刊在線發(fā)表(https://doi.org/10.1038/s41467-024-47250-3)。論文第一作者為浙江大學材料科學與工程學院博士研究生戚家程和中國工程物理研究院材料研究所黃旭博士，通訊作者為浙江大學材料科學與工程學院陳立新教授、肖學章副教授以及中國工程物理研究院材料研究所寇化秦研究員。浙江大學為該論文第一通訊單位。該項工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃項目的資助，還得到了中國工程物理研究院成都基地氘氚燃料工程技術中心和浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心的合作支持。
圖1 ZrCo合金的微觀結構和性能表征以及動力學氫同位素效應機理解析結果
對ZrCo合金的動力學氫同位素效應研究表明，其吸氫過程中的動力學氫同位素效應輕微，而釋氫過程中的動力學氫同位素效應顯著（圖1）。其中，輕微的吸氫動力學同位素效應和快速的氫同位素吸收動力學均有利于氫同位素的快速貯存，而釋氫過程中的顯著動力學氫同位素效應會嚴重干擾燃料供給時氫同位素比例的精準控制。
圖2 ZrCo合金的熱力學氫同位素效應與諧振子模型
對ZrCo合金的寬溫域熱力學氫同位素效應研究表明，其氫同位素效應會隨著溫度的變化而發(fā)生動態(tài)變化，并會在某一溫度處出現(xiàn)氫同位素效應正負反轉的現(xiàn)象（圖2）。該溫度被定義為臨界溫度Tcr，在Tcr附近釋放氫同位素有望降低氫同位素比例的波動。對于氫同位素貯存材料的實際工程應用，對應1 bar平衡氫壓的釋放溫度T1 bar被認為是氘氚燃料供給時的適宜操作溫度。Tcr與T1 bar兩者之間的不匹配則是導致釋放過程中氫同位素比例波動的顯著特征，而且Tcr和T1 bar均會隨著合金成分、結構的調整而發(fā)生變動。基于此，研究團隊提出一種新的氫同位素效應工程評價指標Tgap（Tgap = T1 bar - Tcr），用于定量評價工程應用條件下的氫同位素比例波動程度并指導設計氘氚穩(wěn)定供給的新型ZrCo基合金（圖3a）。Tgap降低則反映出氣固兩相間氫同位素能量差異減小，進而可緩減氘氚燃料供給時的氫同位素比例波動幅度。
圖3 氫同位素效應工程應用評價指標與局域配位設計策略
在上述研究基礎上，通過分析金屬原子所形成的局域環(huán)境與間隙氫原子的相互作用，團隊首次提出了指導金屬氫化物體系氫同位素穩(wěn)定供給的局域配位設計策略，并結合第一性原理計算分別篩選出了Ti和Pd兩種有利于抑制氫同位素比例波動的A側和B側合金化元素（圖3b），進而設計研制出Ti-Pd共摻ZrCo基新型合金。相較ZrCo二元合金，Ti-Pd共摻ZrCo基新型合金的Tgap降低了三分之二，氫同位素釋放過程中的動力學能壘差異降低了五分之四，氫同位素比例波動幅度顯著減小，具有比較理想的氫同位素供給穩(wěn)定性（圖4）。
圖4 Ti-Pd共摻ZrCo基新型合金的微觀結構和性能表征以及氫同位素效應機理解析
該項研究通過對SDS工程應用條件下氫同位素比例波動本質原因的分析闡述以及間隙氫環(huán)境與氫同位素效應作用機理的深入解析，提出了氫同位素效應工程應用評價指標及局域配位設計策略，為開發(fā)氘氚燃料穩(wěn)定供給的SDS應用材料提供了重要的理論與實踐支撐，助力我國氘氚可控核聚變能技術的發(fā)展。
