何長水

摘 要：通過建立316L不銹鋼在液相水中的氚滲透實(shí)驗(yàn)裝置和蝕刻溶解法氚深度分布測(cè)量裝置，開展260℃-320℃高溫下氚在316L不銹鋼中的滲透特性實(shí)驗(yàn)，獲得了氚在316L基體中的擴(kuò)散系數(shù)及其表面的水-氚同位素交換效應(yīng)特性參數(shù)。

關(guān)鍵詞：不銹鋼；氚滲透；氫同位素交換效應(yīng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.011

1 前言

不銹鋼作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如在核領(lǐng)域的聚變堆氘氚燃料循環(huán)系統(tǒng)中，不銹鋼可用作氫同位素氣體的輸運(yùn)管道及包容結(jié)構(gòu)材料。氫同位素氣體在不銹鋼材料基體中具有較大的溶解度，造成不銹鋼氫脆的安全問題。此外，作為放射性氫同位素氣體的氚，通過不銹鋼基體滲透到外界會(huì)造成環(huán)境污染的安全問題。對(duì)于氫在不銹鋼中的擴(kuò)散滲透行為，國內(nèi)外已有大量的研究，但氫的同位素氚作為放射性氣體，其在材料中的擴(kuò)散滲透行為研究相對(duì)較少。

2 實(shí)驗(yàn)研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

采用氫的放射性同位素氚進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)研究，其優(yōu)點(diǎn)是氚的滲透量與速率易測(cè)量[1]。假定不銹鋼材料上游為氣態(tài)氚，下游為液相水。當(dāng)不銹鋼材料與外界的液相水接觸時(shí)，氚的滲透行為可表現(xiàn)為三個(gè)過程：①氣相氚在上游表面的吸附；②氚原子在材料基體中的擴(kuò)散；③氚在下游表面與水的氫同位素交換。通過測(cè)量滲透下游近表面層水中的氚活度濃度變化速率J、以及下游表面氚原子濃度C，根據(jù)公式J=kexC2，即可得到水氚同位素交換速率常數(shù)kex，由kex=k0exp（-Eex/RT）得到氫同位素交換反應(yīng)激活能Eex。

（1）水中的氚溶出速率J測(cè)量方法[2]：按一定的時(shí)間間隔對(duì)滲透下游的水進(jìn)行取樣，液閃測(cè)量水樣的氚活度濃度，計(jì)算累積氚滲透量Q，由dQ/dt得出氚溶出速率J。

（2）樣品表面氚濃度C測(cè)量方法[3]：滲透結(jié)束后盡快將樣品取出，在化學(xué)蝕刻液中逐層蝕刻，由蝕刻時(shí)間控制每層的蝕刻深度Di，由臺(tái)階儀測(cè)量蝕刻深度。每一層蝕刻的溶液再用液閃儀測(cè)量其氚活度濃度，計(jì)算每層中的氚原子濃度Ci。由Di—Ci變化曲線，推算得到樣品表面的氚原子濃度C0。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為核領(lǐng)域常見的316L不銹鋼，尺寸為Φ23×2mm，樣品有效滲透面積約為3.14cm2，表面采用機(jī)械拋光的方式去掉其表面的天然氧化膜。

2.3 主要測(cè)量設(shè)備

采用液體閃爍計(jì)數(shù)儀測(cè)量滲透水樣及溶解水樣的氚活度，儀器型號(hào)為HIDEX 300SL型，編號(hào)2140403。該儀器測(cè)量下限約為1Bq，測(cè)量上限105Bq。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在1.0Pa氚分壓320℃時(shí)，24小時(shí)之內(nèi)即達(dá)到穩(wěn)態(tài)氚滲透，隨著實(shí)驗(yàn)溫度降低，達(dá)到穩(wěn)態(tài)氚滲透的時(shí)間延長。典型的316L不銹鋼的氚滲透量隨時(shí)間變化如圖1所示。

基體內(nèi)氚濃度隨蝕刻深度變化如圖2所示。氚滲透速率達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，316L不銹鋼基體內(nèi)的氚濃度沒有明顯的分布梯度，基本呈均勻分布。各溫度滲透樣品的平均氚濃度C列于表1，按公式J=kexC2計(jì)算的水-氚同位素交換系數(shù)kex也列于表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，作水-氚同位素交換系數(shù)與溫度倒數(shù)的關(guān)系曲線，符合Arrhenius關(guān)系，擬合得316L不銹鋼表面水-氚同位素交換系數(shù)的溫度影響表達(dá)式：。

根據(jù)固體薄膜材料厚度L、氚通過該材料擴(kuò)散從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的延遲時(shí)間τ，可求得氚的在材料中的擴(kuò)散系數(shù)D：。本實(shí)驗(yàn)中281℃的氚滲透曲線對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間為18小時(shí)，結(jié)合樣品厚度2mm，求得281℃時(shí)氚在316L不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)為10.2E-12 m2/s，這與文獻(xiàn)值277℃氚在316L不銹鋼中的擴(kuò)散系數(shù)為8.35E-12 m2/s基本一致[4]。

4 結(jié)論

（1）通過本論文的研究，掌握了不銹鋼材料氚滲透速率及其基體內(nèi)氚深度分布的測(cè)量方法。

（2）通過測(cè)量氚滲透速率及滲透下游表面的氚濃度，獲得了氚在316L基體中的擴(kuò)散系數(shù)，獲得了316L不銹鋼表面的水-氚同位素交換效應(yīng)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Walter G. Luscher， David J. Senor.In situ measurement of tritium permeation through stainless steel[J].Journ al of Nucle ar Materia ls，2013，Vol 437：373-379.

[2]Takahiro Ikeda， Teppei Otsuka.Hydrogen permeation in metals near room temperature by a tritium tracer technique[J].Journal of Nuclear Materials，2011，Vol 417：568-571.

[3]陳長安，武勝，倪然夫等.氚在不銹鋼中的體擴(kuò)散行為[J].核化學(xué)與放射化學(xué)，2000，Vol.22，No.3：144-149.

[4]山常起、呂延曉.氚及防氚滲透涂層材料[M].北京：原子能出版社，2002：254-255.endprint