CC BY
3
УДК 621.039
Анфимова Т. А., Розенкевич М. Б., Бобырь Н. П., Дугин Д. С., Козлов Д. А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА ВОДОРОДА В БРОНЗЕ CuCrZr С ГАЗОВОЙ ФАЗОЙ
Анфимова Татьяна Александровна - аспирант 1-го года обучения кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; anfimova_t_a@mail.ru.
Розенкевич Михаил Борисович - доктор химических наук, профессор кафедры технологии изотопов и водородной энергетики,
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Бобырь Николай Павлович - научный сотрудник; НИЦ «Курчатовский институт», Дугин Дмитрий Сергеевич - лаборант-исследователь; НИЦ «Курчатовский институт»,
Козлов Дмитрий Алексеевич - младший научный сотрудник; НИЦ «Курчатовский институт», Россия, Москва, 12309, пл. Академика Курчатова, дом 1.
В рамках данной работы проведено исследование изотопного обмена водорода в бронзе CuCrZr с газовой фазой. Для исследования использовались образцы бронзы, насыщенные дейтерием при температуре 400 °С и давлении 0,1 МПа. Часть образцов предварительно облучалась ионами Fe2+ для наработки дефектов в структуре образцов. В работе представлены результаты серии экспериментов, целью которых было оценить влияние температуры на эффективность изотопного обмена газообразного протия с дейтерием в необлученных образцах бронзы и образцах, подвергнутых предварительному ионному облучению. Ключевые слова: изотопы водорода, материалы термоядерных реакторов, изотопный обмен
STUDY OF HYDROGEN ISOTOPE EXCHANGE IN BRONZE CuCrZr WITH GAS PHASE
Anfimova T.A.12, Rozenkevich M.B.1, Bobyr N.P.2 3, Dugin D.S.2, Kozlov D.A.2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russian Federation
3 Stock Company «A.A. Bochvar High-technology Research Institute of Inorganic Materials», Moscow, Russian Federation
In the framework of this work, we studied the hydrogen isotope exchange in bronze CuCrZr with the gas phase. Bronze specimens saturated with deuterium at a temperature of 400 °C and a pressure of 0.1 MPa were used for the study. Some of the samples were preliminarily irradiated with Fe2+ ions to develop defects in the structure of the samples. The paper presents the results of a series of experiments aimed at evaluating the effect of temperature on the efficiency of the isotopic exchange of gaseous protium with deuterium in non-irradiated bronze samples and samples subjected to preliminary ion irradiation.
Key words: hydrogen isotopes, fusion reactor materials, isotope exchange
Введение
Применение трития в качестве одного из компонентов топлива в термоядерном синтезе привлекает особое внимание к безопасности эксплуатации реактора, так как тритий наряду с продуктами нейтронной активации представляет радиологическую угрозу [1]. Суммарные запасы трития на площадке термоядерного реактора ИТЭР составят 3-4 кг, аналогичный уровень запасов трития ожидается на установке DEMO [2]. Поскольку радиоактивный тритий может представлять опасность для здоровья человека (в первую очередь в виде тритированной воды), необходимо снизить вероятность возможных утечек на площадке термоядерного комплекса и за его пределы. Существующая необходимость в контроле трития обуславливает необходимость его извлечения из материалов термоядерного реактора, поскольку способность изотопов водорода проникать через твердые материалы, особенно при ожидаемых в процессе работы реактора температурах, приводит к накоплению в них большого количества трития. В случае эксплуатации термоядерного реактора
накопление трития до значения, соответствующего поверхностной концентрации ~1022 ат./м2, близко к предельному допустимому безопасному значению 700 г во всей вакуумной камере ИТЭР [3]. Помимо вопросов безопасности и экологии извлечение трития из материалов актуально также и с точки зрения экономики - высокая стоимость и ограниченность ресурсов трития приводит к необходимости снижения его безвозвратных потерь и повторного использования. Таким образом, в рамках обеспечения безопасности населения, экологии и снижения экономических потерь необходим поиск эффективных методов извлечения трития из реакторных элементов при технологических остановках его эксплуатации.
В настоящее время в реакторе ИТЭР в качестве основного метода детритизации рассматривается вакуумный отжиг, который, как показали эксперименты в ходе компании JET ITER-Like Wall, является недостаточно эффективным при выбранных температурах для полного извлечения трития [4]. Метод изотопного обмена, позволяющий заменить тяжелые изотопы в материале легкими изотопами
водорода, может стать перспективном альтернативой вакуумному отжигу или использоваться в качестве метода доочистки элементов вакуумной камеры. По сравнению с другими методами детритизации (термодесорбция, плавление, отжиг) метод изотопного обмена для эффективного удаления трития требует нагрева компонентов вакуумной камеры до меньших температур. Это делает данный метод привлекательным для применения в токамаках, где трудно осуществить нагрев большого объема материалов до высокой температуры.
Одним из кандидатных конструкционных материалов для термоядерного реактора являются медные сплавы, поскольку они характеризуются высокой теплопроводностью, хорошей
пластичностью и хорошей стойкостью к облучению [5]. В данном исследовании использовались насыщенные дейтерием образцы бронзы СиСйг. Часть образцов предварительно облучалась ионами Бе2+ для наработки дефектов в структуре образцов. Цель данной работы заключалась в изучении эффективности изотопного обмена газообразного протия с дейтерием, содержащимся в бронзе. Экспериментальная часть
Для исследования в данной работе использовались 2 образца бронзы (10 х 10 х 1 мм3) со следующим массовым содержанием элементов: 98,9% Си, 1% Сг, 0,1% 2г. Один из исследуемых образцов был предварительно облучен ионами Бе2+ до интегральной дозы 1,2-1015 частиц/см2. Далее оба образца насыщались дейтерием в вакуумной установке путем выдержки в газе (99,9% Б2) при температуре 673 К и давлении 0,1 МПа в течение 25 часов.
Эксперимент по изучению изотопного обмена состоял из нескольких этапов. Каждый исследуемый образец поочередно помещался в реакционную камеру, откачиваемую с помощью
турбомолекулярного насоса до давления 10-5 Па. Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1.
н2
чхь
4
TZT
JZL
ш-Х
нЭ-txJ-{й—
-м-
02
1 - вентиль 2 - ионизационный вакуумметр 3 - нагреваемый модуль насыщения
4 - калиброванная течь
5 - масс - спектрометр
б - пшоер 7 - турбомолекулярнын насос
Эбр
Рис. 1. Принципиальная схема установки для эксперимента с отбором пробы газовой смеси.
Далее осуществлялся напуск водорода (99,9% Н2) из баллона в реакционную камеру до давления 100 мбар. Затем исследуемый образец нагревался до 573 К. По достижении заданной температуры из реакционной камеры с образцом осуществлялся отбор газовой пробы через фиксируемые промежутки времени. Состав газовой пробы определялся с помощью квадрупольного масс-спектрометра.
В рамках задачи определения влияния температуры на эффективность изотопного обмена температуру образца повышали до 673 К и затем до 773 К. В течение выдержки образца в атмосфере водорода при каждой температуре через равные промежутки времени производился постоянный отбор проб для определения состава газа. По итогам эксперимента при каждой температуре суммарное снижение давления в реакционной камере за счет отбора проб составляло не более 10%.
Представленная последовательность
эксперимента использовалась как для предварительно облученного, так и необлученного образца.
На основании результатов масс-спектрометрического анализа газовых проб были получены зависимости отношения ионных токов с массовыми числами 3 и 2, соответствующих молекулам ЫБ и Н2 в газовой фазе, от времени. Данные зависимости для необлученного и облученного образца представлены на рисунке 2.
0,006 п
0,005 -
0,004
0,003 -
0,002 -
0,001 -
0,000
■ 573 К
• 673 К
А 773 К
А Необлученный образец • Облученный обраэец
* Ч i
Iii ' ?
А •1
А
100
400
500
200 300
г, min
Рис. 2. Зависимость относительного содержания молекул HD в газовой фазе над образцом от времени
Из результатов масс-спектрометрического анализа газовой пробы, представленных в таблице 1, следует, что значение ионного тока с массовым числом 3 значительно превышает величину ионного тока с массовым числом 2.
Таблица 1. Результаты масс-спектрометрического анализа газа при температуре 773 К для необлученного _образца_
Время Ионные токи
изотопного Mass 2 Mass 3 Mass 4 Mass 18 Mass 20 Mass 32
обмена,
мин
30 2,70-10-7 6,27-10-10 7,7Ы0-11 2,4Ы0-9 2,86-10-11 2,73-10-11
210 2,7Ы0-7 1,30-10-9 1,1710-11 2,32-10-9 1,15-10-11 1,62-10-11
450 2,75-10-7 2,00-10-9 2,19-10-11 2,19-10-9 3,57-10-11 3,44-10-11
Преимущественное появление в газовой фазе молекул ИБ может быть обусловлено реакцией гомомолекулярного изотопного обмена (ГМИО) на поверхности бронзы (реакция 1)
Н2 + Б2 ^ 2НБ, (1)
что указывает на химический механизм изотопного обмена.
При этом из результатов, представленных на рисунке 2, видно, что скорость увеличения числа молекул ИБ в газовой фазе зависит от температуры. Можно отметить, что предварительное облучение не влияет на соотношение концентраций HD и Н2 при температуре 573 К. Наиболее высокая скорость изменения состава газовой фазы наблюдается при температуре 773 К.
Сравнение полученных результатов для двух образцов при температурах 673 К и 773 К демонстрирует более высокую скорость изотопного обмена для необлученного образца. При температуре 773 К через 450 минут значение М3/М2 для необлученного образца превышало эту величину для облученного образца в 1,5 раза. Снижение эффективности изотопного обмена в условиях предварительного ионного облучения может объясняться влиянием ионно-индуцированных дефектов на захват водорода. Для извлечения дейтерия, захваченного в дефектах, потребуется более высокая температура.
Заключение
В данной статье представлены результаты исследования изотопного обмена водорода в бронзе с газовой фазой. Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью разработки эффективных методов извлечения трития из материалов термоядерного реактора для обеспечения его безопасной и экономичной работы. Выбор бронзы СиСйг в качестве материала исследования связан с тем, что данный сплав является одним из кандидатных конструкционных материалов термоядерных реакторов.
Образование молекул HD при выдержке образцов, насыщенных дейтерием, в газовой атмосфере водорода, обусловлено реакцией ГМИО и, следовательно, химическим механизмом изотопного обмена. Результаты данного исследования продемонстрировали благоприятное влияние увеличения температуры на эффективность изотопного обмена, в то время как предварительное ионное облучение оказало обратное влияние. Это указывает на то, что для извлечения тяжелых изотопов водорода из дефектов материала требуется более высокая температура.
Результаты данной работы подтверждают перспективность изотопного обмена как метода извлечения тяжелых изотопов водорода и позволяют рассматривать его в качестве альтернативы вакуумному отжигу или метода доочистки элементов вакуумной камеры.
Работа выполнена при поддержке НИЦ «Курчатовский институт».
Список литературы
1. Rosanvallon S., Elbez-Uzan J., Cortes P. Safety provisions for the ITER facility // Fusion Engineering and Design. 2018. Vol. 136. Part A. P. 540-544.
2. Nie B. et al. Anthropogenic tritium: Inventory, discharge, environmental behavior and health effects // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 135. P. 110188.
3. Алимов В.Х., Хрипунов Б.И., Спицын А.В. и др. Влияние гелиевой примеси на обмен изотопов водорода в вольфраме при последовательном облучении дейтериевой и протий-гелиевой плазмой // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2013. Т. 36. Вып.3. С. 61-67
4. Heinola K. et al. Long-term fuel retention and release in JET ITER-Like Wall at ITER-relevant baking temperatures // Nuclear Fusion. 2017. Vol. 57.
5. Tejado E. et al. Evolution of mechanical performance with temperature of W/Cu and W/CuCrZr composites for fusion heat sink applications // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 712. P. 738-746
