Hydrogen retention（氢滞留）是什么意思，能具体解释下么？

氢滞留，顾名思义，是指某种物质（通常是金属或合金）在特定条件下，吸收或容纳氢元素，并且这些氢元素在移除外部氢源后，仍然被保留在材料内部的现象。

你可以想象一下海绵吸水。当海绵浸泡在水中时，它会吸收大量水分。即使你把海绵从水中拿出来，让它暴露在空气中，它仍然会保留一部分水分，而不是瞬间变得完全干燥。氢滞留与此有相似之处，但其内在的机制和影响更为复杂和精细。

为了更深入地理解氢滞留，我们需要从几个关键点来剖析：

1. 什么是“滞留”？

这里说的“滞留”并不是简单地物理附着在表面，而是指氢原子（或者更常见的，氢原子解离后形成的质子，即H+）进入到材料的晶格内部，与材料的原子形成某种形式的结合。这种结合可以是：

间隙固溶（Interstitial Solid Solution）: 氢原子尺寸较小，可以填充金属晶格中原子之间的空隙。这是一种相对松散的结合方式，但氢原子在这里仍然被“困住”了。
取代固溶（Substitutional Solid Solution）: 在某些情况下，如果氢的尺寸与基体金属的某些原子尺寸相近，它也有可能取代基体原子在晶格中的位置，形成取代固溶体。但这相对较少见。
形成氢化物（Hydride Formation）: 当氢的浓度达到一定程度，或者与某些特定金属（如镧、钛、锆等）结合时，它们会形成化学性质更强的化学键，构成金属氢化物。这是一种更强的结合形式，氢的“滞留”性质更显著。
与缺陷结合（Trapping at Defects）: 材料内部并非完美无瑕，存在晶界的错位、位错、空位、第二相粒子等缺陷。氢原子倾向于聚集在这些缺陷处，因为在这些地方，能量更低，结合更稳定。这就像水会更容易聚集在海绵的纤维缠绕处一样。

2. 为什么会发生氢滞留？

氢滞留的发生通常与以下几个因素有关：

材料本身的性质:
化学亲和力: 材料对氢的化学亲和力越强，越容易吸收和滞留氢。例如，镍、钯、铂等贵金属对氢的吸收能力很强。
晶体结构: 不同的晶体结构对氢的溶解度和扩散能力有影响。例如，面心立方（FCC）结构通常比体心立方（BCC）结构更容易容纳氢。
缺陷密度和类型: 如前所述，材料中的缺陷是氢滞留的重要“陷阱”。

氢的来源和浓度:
外部氢环境: 材料暴露在高压氢气、含氢气体（如湿空气、H2S）、电解液中的氢等环境中时，会发生氢吸收。
氢分压/浓度: 外部氢的浓度越高，材料吸收的氢量也越多，从而增加了滞留的可能性。

温度:
低温有利于滞留: 一般来说，在较低的温度下，氢在材料中的扩散速率减慢，且较低的温度更有利于氢以更稳定的状态（如形成氢化物或被缺陷捕获）存在，因此低温更容易发生显著的氢滞留。
高温促进扩散和脱附: 在高温下，氢的扩散速率大大增加，它更容易克服能量势垒，离开材料或重新分布，这会降低氢滞留的程度。

压力:
高压促进吸收: 外部氢气的压力越高，进入材料的氢原子越多，从而增加滞留量。

时间:
长时间暴露增加滞留量: 材料暴露在氢环境中时间越长，吸收的氢越多，滞留的氢也越多。

3. 氢滞留的主要表现和影响

氢滞留不是一个单纯的物理现象，它会对材料的性能产生一系列负面影响，尤其是对金属材料而言：

氢脆（Hydrogen Embrittlement）: 这是最常见也是最危险的影响。被氢侵蚀的金属材料，即使在低应力或常温下，也可能发生突然的、脆性的断裂。氢原子聚集在材料的晶界、位错等区域，降低了原子间的结合力，使得裂纹容易产生和扩展。想象一下原本柔韧的金属在内部被“削弱”了。
强度和塑性下降: 氢的进入，尤其是以间隙固溶或聚集在缺陷处的形式，会引起材料内部的应力集中和晶格畸变，导致材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学性能明显下降。
体积膨胀（HydrogenInduced Swelling）: 当大量氢原子进入材料，尤其是在形成氢化物时，会引起材料的体积膨胀。如果这种膨胀受到约束，会产生巨大的内应力，导致材料开裂、起泡甚至分层。
腐蚀加剧: 在某些腐蚀环境下，氢的产生和滞留会加速材料的腐蚀过程。
导电和导热性能变化: 氢的存在会影响材料的电子结构，可能导致其导电性和导热性能发生一定程度的改变。

4. 氢滞留的实际应用场景和领域

氢滞留的研究和控制在许多重要领域都至关重要：

能源领域:
氢能储存和运输: 为了安全高效地储存和运输氢气，需要开发能够吸收和释放氢气的材料（如储氢合金）。这些材料的设计就需要考虑氢的滞留和释放动力学。例如，用于固态储氢的储氢合金（如LaNi5基合金、TiFe基合金等）需要能够快速吸氢并储存，同时在需要时能够有效地释放氢气。这里“滞留”在一定程度上是必要的。
燃料电池: 燃料电池的电极材料（如铂）在工作过程中会产生和接触氢，需要考虑氢在其内部的扩散和可能的滞留对催化活性的影响。
核能: 核反应堆的结构材料会暴露在高能粒子和氢气（可能由水分解产生）环境中，氢的滞留会严重影响其力学性能，引发安全隐患。

材料科学与工程:
高性能合金设计: 在设计用于高压氢环境的金属（如航空航天、汽车领域的氢动力系统）时，必须考虑如何降低氢滞留和氢脆的风险。
焊接和热处理: 在焊接过程中，可能会引入氢气，其在冷却过程中的滞留是导致焊接缺陷（如氢致裂纹）的主要原因。

化学工业:
催化剂: 许多催化反应都涉及氢的参与，氢在催化剂载体或活性组分中的滞留情况会影响催化剂的活性、选择性和寿命。

总结来说，氢滞留就是指氢元素在进入材料内部后，不易被完全移出，而是被材料“挽留”了下来。 这种“挽留”的机制多种多样，与材料的内在属性、外部环境条件以及氢与材料之间的相互作用密切相关。理解和控制氢滞留，对于开发安全可靠的氢能技术、延长材料的使用寿命以及保障关键设备的安全运行具有至关重要的意义。它既是我们需要克服的挑战（如氢脆），也可能是在特定应用中我们需要利用的特性（如储氢材料）。

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。

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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。

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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。

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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