氘氚可控核聚變能被譽(yù)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(yùn)行，迫切需要發(fā)展氫同位素貯存與供給系統(tǒng)（SDS）相關(guān)材料及工程技術(shù)，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(yīng)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(diǎn)，被認(rèn)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(yīng)會嚴(yán)重干擾燃料供給時氫同位素比例的精準(zhǔn)控制，從而影響其在SDS中的進(jìn)一步應(yīng)用。分離因子α是一種常用的氫同位素效應(yīng)描述指標(biāo)，但會隨溫度升降而發(fā)生動態(tài)變化，無法用于準(zhǔn)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(yīng)，合理設(shè)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳立新教授和肖學(xué)章副教授團(tuán)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(tuán)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(yīng)規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理的基礎(chǔ)上，首次提出了SDS應(yīng)用工況下的氫同位素效應(yīng)工程應(yīng)用評價指標(biāo)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(shè)計策略，并結(jié)合第一性原理計算設(shè)計研制出具有比較理想氫同位素工程應(yīng)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳立新教授、肖學(xué)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(xué)為該論文第一通訊單位。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)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(shù)中心和浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心的合作支持。
圖1 ZrCo合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能表征以及動力學(xué)氫同位素效應(yīng)機(jī)理解析結(jié)果
對ZrCo合金的動力學(xué)氫同位素效應(yīng)研究表明，其吸氫過程中的動力學(xué)氫同位素效應(yīng)輕微，而釋氫過程中的動力學(xué)氫同位素效應(yīng)顯著（圖1）。其中，輕微的吸氫動力學(xué)同位素效應(yīng)和快速的氫同位素吸收動力學(xué)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(xué)氫同位素效應(yīng)會嚴(yán)重干擾燃料供給時氫同位素比例的精準(zhǔn)控制。
圖2 ZrCo合金的熱力學(xué)氫同位素效應(yīng)與諧振子模型
對ZrCo合金的寬溫域熱力學(xué)氫同位素效應(yīng)研究表明，其氫同位素效應(yīng)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(yīng)正負(fù)反轉(zhuǎn)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(yīng)用，對應(yīng)1 bar平衡氫壓的釋放溫度T1 bar被認(rèn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的調(diào)整而發(fā)生變動。基于此，研究團(tuán)隊提出一種新的氫同位素效應(yīng)工程評價指標(biāo)Tgap（Tgap = T1 bar - Tcr），用于定量評價工程應(yīng)用條件下的氫同位素比例波動程度并指導(dǎo)設(shè)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(jìn)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(yīng)工程應(yīng)用評價指標(biāo)與局域配位設(shè)計策略
在上述研究基礎(chǔ)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(tuán)隊首次提出了指導(dǎo)金屬氫化物體系氫同位素穩(wěn)定供給的局域配位設(shè)計策略，并結(jié)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(cè)和B側(cè)合金化元素（圖3b），進(jìn)而設(shè)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(xué)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(jié)構(gòu)和性能表征以及氫同位素效應(yīng)機(jī)理解析
該項研究通過對SDS工程應(yīng)用條件下氫同位素比例波動本質(zhì)原因的分析闡述以及間隙氫環(huán)境與氫同位素效應(yīng)作用機(jī)理的深入解析，提出了氫同位素效應(yīng)工程應(yīng)用評價指標(biāo)及局域配位設(shè)計策略，為開發(fā)氘氚燃料穩(wěn)定供給的SDS應(yīng)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(shù)的發(fā)展。
