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Hydrogen retention(氢滞留)是什么意思,能具体解释下么? 第1页

  

user avatar   jiehou1993 网友的相关建议: 
      

本来只是想简单说两句的,但这问题实在是撞我博士课题的枪口上了,所以还是忍不住写了一大堆,干脆做个系统的介绍吧。

Hydrogen retention的中文名叫氢滞留,是可控核聚变研究的核心问题之一。

氢滞留是指聚变堆中的氢同位素(主要是氚)在跟材料接触后,滞留在材料内部,导致难以回收的一种现象。

由于氚在聚变堆中需要不断回收并循环利用,滞留在材料内部会带来额外的氚损耗,从而打破氚回收循环,导致聚变堆无法持续运行。


氢主要有三种同位素,氕、氘、氚:

而在聚变堆里,大家关注的,主要是氚的滞留。这是因为在目前阶段,可控核聚变的研究,主要还是集中在氘-氚聚变上:

毕竟相比于其他聚变反应(例如氘-氘聚变),氘-氚聚变的实现的难度最低——咱这御氘术等级不高,只能挑个软柿子捏了。

其中氘可以容易的从海水中提取,来源广泛价格低廉。但不幸的是,氚是短半衰期核素,基本上没有天然氚。所以聚变堆的一个问题就是:氚从哪儿来?

简单来说就是四个字,开源节流。


开源不难理解,就是想办法生产氚呗。

记得上面的氘氚聚变公式么?每一个氘氚反应,都会生成一颗中子(n),这颗中子可以跟锂(Li)反应,用来产生氚:

所以每消耗一个氚,就产生一颗中子。然后这颗中子又跟锂结合,从而把氚给吐回来。看到这里,你是不是就以为氚太少的问题被完美解决了?

当然不是!上面的公式虽然很完美,但在现实世界中,你肯定没法做到把每个中子都用来产氚。因此通过上述方式,氚产出/消耗的比例(简称氚增殖率)妥妥的小于1。所以氚依然处于越用越少的状态。

想要产生更多的氚,就需要更多的中子。所以,我们可以先让中子跟铍(Be)之类的元素反应,消耗一个中子生成两个中子,从而把中子数量倍增[1]

聚变产生一颗中子,先拿去倍增,再跟锂反应产氚,这样就能把氚增值率提上去了。但注意上面的中子倍增反应是需要吸收能量的,中子不能无限的倍增,所以氚增殖的比例依然很有限。

中国工程聚变实验堆(CFETR)的氚增殖率设计值大约是1.2[2],平均而言,消耗一个氚,仅仅能够生成1.2个新的氚。

这个比例并不算高。


既然开源的效果有限,那么我们就要节流,尽可能降低氚的损耗,

欧洲联合环状反应堆(JET)在上世纪进行了不少氚回收实验,研究人员在往JET中注入氚燃料后,发现滞留在反应堆内部的氚最高可达30%左右[3]

这一数字显然极不利于维持氚循环,因此需要尽可能的降低聚变堆里的氚滞留。

在聚变堆中,我们会用强磁场约来约束控制上亿度的氘氚等离子体。但这个约束并非完美,边界处的等离子体依然会跟材料发生接触,使得氘和氚不断的进入材料内部。

为了降低氚滞留,很多聚变堆的第一壁材料(跟等离子体接触的材料)用的都是金属钨(W)或钨合金。因为在所有的金属中,钨跟氢的化学亲和力是最低的。正常情况下,钨中氢同位素的溶解度极低,氚在钨中的滞留自然也很少。

按照经验,出题人在写下“正常情况下”这几个字时,那么重点往往就在不正常的情况了。没错,你看上面的图中,钨基第一壁除了跟要氘氚等离子接触外,还要承受高能聚变中子的辐照——这显然不是正常的材料服役工况啊。

一颗聚变中子携带着14.1 Mev的能量,是材料中化学键键能的几百万倍。中子就跟炮弹一样打在材料上,这还不得把材料打的千疮百孔[4]

正常情况下钨对氢的亲和力很低,但架不住这些孔洞对氢的亲和力高呀。氢在进入到钨中后,有很大概率会遇到这些孔洞,钻进去就很难跑出来了,使的滞留量大增[5]

你以为这就完了?很多研究人员发现,就算没有中子轰击产生孔洞,只要材料接触足够高通量的氢等离子体,氢自个儿就能挤出孔洞和气泡来。极端情况下,这些气泡内的高压甚至能把材料表面挤破:

以上这些因素都很有会增加聚变堆内的氚滞留,对聚变堆的正常运行产生很大影响,因此近年来学界也对氚滞留的相关问题比较关注。

参考

  1. ^Maki, Koichi. "Energy multiplication in high tritium breeding ratio blanket with front breeder zone for fusion reactors." Journal of Nuclear Science and Technology 25.1 (1988): 72-80. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/18811248.1988.9733557
  2. ^Liu S, Pu Y, Cheng X, et al. Conceptual design of a water cooled breeder blanket for CFETR[J]. Fusion Engineering and Design, 2014, 89(7-8): 1380-1385. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920379614000660?casa_token=_YpwIvK7aI0AAAAA:qbK0fgTcbfsYA8BNdZ8l3byBlx0NYJp16eeyeKrNARJYhzDXY5rzbSjrMKgEdOBCr9mn7azgKQ
  3. ^Andrew, Ph, et al. "Tritium retention and clean-up in JET." Fusion Engineering and Design 47.2-3 (1999): 233-245. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920379699000848?casa_token=gOZXRkkQYKYAAAAA:L2iGU58AgBwt3QMiVbTQuPBmdYmNFDO4D3YIITfkjAUhTHz1xbYdJBM07iXbD55vBsxSxEENGw
  4. ^Gelles, D. S. "Void swelling in binary FeCr alloys at 200 dpa." Journal of nuclear materials 225 (1995): 163-174. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022311595000534
  5. ^Hou, Jie, et al. "Predictive model of hydrogen trapping and bubbling in nanovoids in bcc metals." Nature materials 18.8 (2019): 833-839. https://www.nature.com/articles/s41563-019-0422-4



  

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