荊文娜 劉建星 王思蜀 陳波 陳建軍韋建軍 葉宗標 芶富均

在未來聚變堆中， 氚透過第一壁的滲透和滯留行為是影響氚自持以及裝置核安全的重要問題. 針對這一問題， 四川大學先進核能實驗室自主設計了可以研究氣體和等離子體驅動的氫同位素在靜態(tài)/流動液態(tài)金屬中滲透行為的裝置. 本文詳細地介紹了該裝置， 并分別研究了在氣體驅動和等離子體驅動這兩種滲透機制下， 氫透過靜態(tài)雙層滲透結構Li/Fe的滲透行為. 從實驗結果中發(fā)現(xiàn)， 溫度的升高會使得氣體驅動的氫滲透通量升高， 且到達穩(wěn)態(tài)的時間縮短. ICP等離子體源功率增大， 引起氫等離子體密度增大， 也會使得等離子體驅動的氫滲透通量升高. 氣體驅動滲透到達穩(wěn)態(tài)的時間遠小于等離子體驅動滲透到達穩(wěn)態(tài)的時間. 本文還通過遲滯時間法計算得到了兩種不同滲透驅動機制下氫原子在Li/Fe中的擴散系數(shù). 實驗結果表明， 該滲透裝置可以較好地對氫同位素在液態(tài)金屬中的滲透行為進行研究.

液態(tài)金屬； 雙層結構； 氣體驅動氫滲透； 等離子體驅動氫滲透

O53A2023.014001

收稿日期： 2022-08-03

基金項目： 國家自然科學基金（11905151， 11875198）; 國家重點研究發(fā)展計劃（2022YFE03130000）

作者簡介： 荊文娜（1999-）， 女， 山西運城人， 碩士研究生， 研究方向為核技術及應用.

通訊作者： 芶富均. E-mail： gfujun@scu.edu.cn; 葉宗標.? E-mail： zbye@scu.edu.cn

Hydrogen permeation behavior of static liquid lithium-solid metal membrane double-layer structure Li/Fe in plasma-gas permeation device

JING Wen-Na1，? LIU Jian-Xing1， WANG Si-Shu2， CHEN Bo1， CHEN Jian-Jun1，

WEI Jian-Jun2， YE Zong-Biao1， GOU Fu-Jun1

（1. Institute of Nuclear Science and Technology， Sichuan University， Chengdu 610064， China;

2. Institute of Atomic and Molecular Physics， Sichuan University， Chengdu 610064， China）

In future fusion reactors， the permeation and retention behavior of tritium in the first wall is an important issue affecting tritium self-sustainment and nuclear safety in the fusion device. In order to better solve this problem， the Advanced Nuclear Energy Laboratory of Sichuan University independently designed a device to study the gas- and plasma-driven hydrogen isotopes permeation behavior in static/flowing liquid metals. In this paper， the device is introduced in detail， and the gas- and plasma-driven hydrogen permeation behavior through the static double-layer structure Li/Fe are studied respectively. It can be seen from the experimental results that the temperature rising will increase the gas-driven hydrogen permeation fluxes and shorten the time to reach the steady-state. The enlargement of ICP plasma source power leads to the boosting of hydrogen plasma density and plasma-driven hydrogen permeation fluxes. The time of gas-driven permeation reaching steady-state is much less than that of plasma-driven permeation. In this paper， the diffusivity of hydrogen atoms in Li/Fe under two different permeation regimes is also calculated by the lag time. The experimental results show that this device can better study the permeation behavior of hydrogen isotopes in liquid metals.

Liquid metals; Double-layer; Gas-driven permeation; Plasma-driven permeation

1 引 言

可控聚變能具有安全、清潔和燃料來源豐富等優(yōu)點， 被認為是未來人類解決能源問題的主要選擇之一［1］. 在聚變裝置中， 面向等離子體材料所要承受的表面高熱負荷和高粒子通量是搭建聚變裝置的主要工程問題， 這也決定了面向等離子體材料的選擇［2］. 液態(tài)鋰具有導熱性高、氚提取簡單以及可以自愈合等特性， 作為面向等離子體材料被廣泛應用在包括NSTX［3］、EAST［4］和FTU［5］等多個聚變裝置內， 并且液態(tài)鋰或鋰合金在核聚變反應堆里還可以作為冷卻劑， 把反應堆產生的熱量導出， 是大功率空間反應堆和未來聚變反應堆的主選冷卻劑材料. 聚變裝置中最易發(fā)生的反應是氘氚聚變［6］， 而氚產量極低， 價格昂貴并具有放射性， 為了滿足聚變堆的經濟性和安全性， 聚變裝置中的氚的存量必須小于1 kg［7］. 然而， 氫同位素（氘和氚）在面向等離子體部件（PFCs）中的滲透和滯留行為使得聚變裝置中的氚自持難以實現(xiàn). 因此， 聚變反應堆的設計需要對氫同位素的滲透和滯留行為進行全面和系統(tǒng)的了解［8］.

中國科學院等離子體物理研究所的Zhou等人［9-11］研制了PREFACE裝置， 對氫同位素在ITER中的第一壁金屬W和散熱器材料Cu以及銅合金CuCrZr的滲透行為進行了系統(tǒng)研究， 評價了各類材料的滲透系數(shù)和擴散系數(shù). Bi等人［12， 13］依托日本核融合科學研究所VEHICLE-1線性等離子體裝置， 研究了氣體驅動滲透和等離子體驅動滲透下的氫及其同位素透過液態(tài)Li、Ga以及GaInSn等液態(tài)金屬的滲透行為， 證實了氫同位素透過液態(tài)Li的等離子體驅動滲透滿足表面復合限制機制， 透過液態(tài)Ga和GaInSn的等離子體驅動滲透滿足擴散限制機制. 由于滲透原理的一致性， 固態(tài)金屬與液態(tài)金屬的氫滲透裝置無較大差別， 主要的區(qū)別在于不同樣品的設置上. 中國工程物理研究院的Guo等人［14］利用氫同位素滲透傳感器檢測了注入氫氣后的滲透腔室內的氫同位素的分壓變化， 校準了液態(tài)LiPb合金中的氫同位素滲透速率. 但目前， 當聚變裝置內以液態(tài)金屬作為面向等離子體材料運行時， 氣體和等離子體驅動下的液態(tài)金屬-固態(tài)金屬膜雙層結構下的氫同位素滲透行為研究極為缺乏.

為了更好地了解氫同位素（氘、氚）在這種由固態(tài)金屬膜支撐液態(tài)金屬的雙層滲透結構中的滲透滯留行為， 四川大學先進核能實驗室自主設計研發(fā)了一臺可以實時檢測氣體或等離子體驅動下的氫同位素在靜態(tài)/流動液態(tài)金屬中的滲透行為裝置. 本文詳細介紹了該裝置的結構以及功能， 并分別研究了在氣體或等離子體驅動滲透下的氫在雙層滲透結構Li/Fe中的擴散滲透行為， 計算得到了氫原子在兩種不同驅動機制下的擴散系數(shù)公式.

2 實 驗

2.1 實驗裝置

由四川大學先進核能實驗室自主研發(fā)設計的液態(tài)金屬氫滲透裝置實物圖和示意圖分別如圖1和圖2所示. 該裝置分為左右兩個部分. 裝置右側為靜態(tài)液態(tài)金屬氫滲透裝置， 具體結構如圖3所示. 裝置左側為流動液態(tài)金屬氫滲透裝置， 具體結構如圖4所示. 此裝置的優(yōu)勢是將研究靜態(tài)液態(tài)金屬的氫滲透裝置與研究流動液態(tài)金屬的氫滯留裝置集成于一體， 共用一套真空系統(tǒng)和供氣系統(tǒng).

研究靜態(tài)液態(tài)金屬氫滲透的裝置主要是由真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、等離子體源、腔室和四極桿質譜儀等裝置組成（圖3）. 真空系統(tǒng)是由機械泵、分子泵、超高真空氣動擋板閥、超高真空插板閥和電離規(guī)等部件組成， 可以為上、下腔室提供超高的真空度. 上腔室和下腔室的真空度可以分別達到大約10-4 Pa和10-5 Pa. 上腔室內部的體積大約為5969 cm3. 在上腔室內通入H2/D2或者安裝電感耦合等離子體（ICP）離子源， 可以分別進行氣體驅動滲透或等離子體驅動滲透實驗. 下腔室與四極桿質譜儀（QMS）相連， 通過檢測H+/H2+離子流的變化得到氫的滲透通量. QMS（普發(fā)真空， QMG250）需要在超高真空條件下工作（<10-4 Pa）. 樣品通過下方的電阻絲進行加熱， 在樣品下部有段垂直的冷卻管道， 可對實驗過程中掉落的液態(tài)金屬進行冷卻， 避免掉落的液態(tài)金屬對質譜儀和下腔室分子泵造成破壞.

裝置左側為流動液態(tài)金屬氫滯留裝置（圖4）. 熔融的液態(tài)鋰由氬氣驅動完成循環(huán)， 整個鋰回路是由316L不銹鋼搭建而成. 循環(huán)回路的基本順序由圖5所示. 熔融罐內部安裝有電阻液位計， 可以對罐內的液態(tài)鋰的液位和平均流速進行監(jiān)測. 上游管道的液態(tài)鋰通過小孔徑的噴嘴流入流動液態(tài)鋰氫滯留裝置的上腔室內， 噴嘴可保證液態(tài)鋰平滑流出. 流動的液態(tài)鋰在腔室內與氫等離子體相互作用后， 通過下游管道進入回流罐內. 當回流罐內的液態(tài)鋰到達一定量時， 充氣裝置向回流罐中充入一定量的氬氣， 罐內的壓強差將液態(tài)鋰泵出， 順著回流管道回流到熔鋰罐中， 完成一次鋰循環(huán). 由于液態(tài)鋰在350 ℃左右才能達到較好的潤濕性， 為了完成在管道內的循環(huán)流動， 循環(huán)回路的管道內部都安裝有加熱棒， 對液態(tài)金屬進行加熱. 流動液態(tài)金屬氫滲透裝置內還設置有氬氣保護裝置. 若ICP射頻等離子體源功率過大， 造成石英管破裂， 液態(tài)鋰暴露于空氣中極易引發(fā)火災， 氬氣保護裝置可防止液態(tài)鋰直接暴露于空氣中. 其原理為當電離規(guī)檢測到腔室內的真空度出現(xiàn)劇烈上升達到大氣壓水平左右， 會緊急啟動氬氣保護裝置， 此時充氣系統(tǒng)向腔室內通入大量氬氣， 降低液態(tài)金屬與空氣接觸的可能， 防范火災， 盡量減少對實驗人員的傷害.

2.2 實驗條件

本次實驗主要利用右側的靜態(tài)液態(tài)金屬氫滲透裝置. 在氣體驅動滲透實驗中， 泵入上腔室的氫氣壓力為50 Pa， 實驗溫度范圍為595～656 K. 在等離子體驅動滲透實驗中， 使用ICP離子源產生穩(wěn)定的氫等離子體， 產生等離子體的氫氣壓力為0.1 Pa. 等離子體參數(shù)可以用一個可移動的朗繆爾探針來測量， 不同位置的等離子參數(shù)如圖6所示. 樣品放置在25 mm處， 當ICP等離子體源工作功率為100 W時， 電子溫度大約為7.5 eV， 電子密度大約為6.2×108 cm-3， 等離子體轟擊通量大約1.2×1019 H·cm-2·s-1， 等離子體離化率約為0.16%.

當溫度為663 K時， 不同ICP功率的氫等離子體透過2 mm Li/Fe的滲透通量隨時間的演化過程如圖8所示， 由朗繆爾探針測得的氫等離子體參數(shù)如表1所示. 在氣體驅動滲透實驗中， 高頻電場將氫氣電離成氫等離子體， 但由于ICP電源產生的氫等離子體離化率較低， 所以在等離子體驅動滲透的過程中也會引發(fā)氣體驅動滲透. 因此， 為了盡可能減小氣體驅動滲透對等離子體驅動滲透的影響， 選擇合適的氫氣壓強至關重要. 在本次實驗中氫氣的壓強為0.1 Pa. 當?shù)入x子體源功率分別為100、200和300 W時， 相應的等離子體驅動飽和滲透通量分別為5.9×1013、9.7×1013和1.4×1014 H2 cm-2·s-1. ICP等離子體源功率的增大， 引起氫等離子體密度增強， 氫氣的等離子體驅動氫滲透通量增大.

圖9為溫度為663 K， 氫氣壓強均為0.1 Pa時的氣體驅動滲透和等離子體驅動滲透曲線隨時間演變的對比圖. 等離子體驅動實驗中的等離子體源功率為200 W. 等離子體驅動飽和滲透通量為9.7×1013 H2 cm-2·s-1， 氣體驅動飽和滲透通量為3.5×1013 H2 cm-2·s-1. 由圖9可以看出， 等離子體驅動滲透的曲線與氣體驅動滲透的曲線相似， 但是可以很明顯地看到， 等離子體驅動滲透的滲透曲線到達穩(wěn)態(tài)的滲透時間大約為1500 s， 遠大于相同溫度下的氣體驅動滲透的穩(wěn)態(tài)滲透時間（50 s）.

本文使用遲滯時間法［18］計算得到Li/Fe雙層滲透結構中的氫原子的擴散系數(shù).

tlag=L2/6D （2）

其中， tlag（s）為滲透曲線的遲滯時間; L（cm）為Li/Fe雙層滲透模型的厚度. 如圖10所示擴散系數(shù)D的變化符合Arrhenius方程［19］

D=D0exp［-ΔEdKBT］ （3）

其中， D0（cm-2·s-1）為擴散前指數(shù)因子; ΔEd（eV）為擴散激活能; KB表示為玻爾茲曼常數(shù). 在本實驗測量范圍內， 氫原子透過Li/Fe雙層滲透結構， 在氣體驅動滲透的機制下， 擴散系數(shù)隨溫度的關系如式（4）所示.

D=9.9973×10-7exp［-0.1637（eV）KBT］ （4）

在等離子體驅動滲透機制下， 擴散系數(shù)隨溫度的關系如式（5）所示.

D=0.0457exp［-0.8988（eV）KBT］ （5）

在實驗溫度范圍為570～660 K， 氫氣壓強為50 Pa的氣體驅動滲透的實驗條件下， 單層固態(tài)金屬鐵膜與雙層滲透結構Li/Fe在氣體驅動滲透機制下的飽和滲透通量比較如圖11a所示. 在實驗溫度范圍同樣為570～660 K， 氫氣壓強為0.1 Pa， ICP功率為100 W的等離子體驅動滲透實驗條件下， 鐵膜與Li/Fe在等離子體驅動滲透機制下的飽和滲透通量比較如圖11b所示. 由擴散公式（4）（5）所知， 在氣體驅動和等離子體驅動的滲透機制下， 氫原子透過Li/Fe雙層滲透結構的擴散系數(shù)均與溫度成正比. 又如公式（1）所示， 氫滲透通量與擴散系數(shù)成正比， 因此， 氫滲透通量隨溫度的升高而增大. 在兩種不同的滲透機制下， 都出現(xiàn)了氫透過單層鐵膜的滲透通量明顯大于氫透過Li/Fe雙層滲透結構的實驗現(xiàn)象. 很顯然， 這是由于液態(tài)鋰的加入增大了滲透模型的厚度.

3.2 分析與討論

在氣體驅動滲透的過程中， 液態(tài)鋰表面的氫分子通過吸附和解離作用裂解成氫原子. 表面裂解的部分氫原子再次復合， 形成氫氣分子從液態(tài)鋰的上表面逸出; 另一部分未在上表面復合的氫原子在金屬介質中溶解和擴散， 并在下表面復合形成氫氣滲透到下腔室中. 在等離子體驅動滲透的過程中［20］， 一部分撞擊表面的氫原子和離子會直接散射回等離子體中; 未散射的氫原子和離子均以原子的形式被滯留在液態(tài)金屬上表面的注入區(qū)中［8］. 注入區(qū)由各種缺陷組成. 在注入材料的氫溶解度較低的極端情況下， 氫原子可能在注入區(qū)發(fā)生表面重組， 形成氫氣分子從上表面逃逸; 未被注入區(qū)捕獲的氫原子將繼續(xù)在金屬介質中擴散， 并在下表面中形成氫氣滲透到下腔室中. 如圖9所示， 相比于氣體驅動滲透， 等離子體驅動滲透通量更大但到達飽和的滲透時間更長. 此現(xiàn)象最有可能的原因是等離子體驅動的擴散激活能（0.8988 eV）大于氣體驅動的擴散激活能（0.1637 eV）. 這表明等離子體驅動滲透下的氫原子比氣體驅動滲透下的氫原子更難以在Li/Fe中擴散. 但氫等離子體轟擊能量較大， 氫原子進入Li/Fe雙層滲透結構內部并滲透到下腔室仍較為容易， 因此等離子體滲透通量更大. 而氫等離子體在轟擊過程中， 使液態(tài)鋰表面的溫度緩慢上升（液態(tài)金屬的比熱容相比固態(tài)金屬的大）， 導致液態(tài)鋰對氫原子的包括擴散系數(shù)和溶解度在內的各類滲透系數(shù)隨之增大， Li/Fe雙層滲透結構內部到達穩(wěn)態(tài)飽和的時間延長， 因此等離子體驅動滲透到達飽和的滲透時間更長.

4 結 論

本文詳細地介紹了四川大學先進核能實驗室自主設計的靜態(tài)/流動液態(tài)金屬氫滲透裝置， 分別研究了在氣體驅動和等離子體驅動兩種滲透機制下， 氫透過靜態(tài)雙層滲透結構Li/Fe的滲透行為. 在氣體驅動滲透的過程中， 氫滲透通量隨著溫度的升高， 滲透時間逐漸縮短， 氫氣的氣體驅動滲透通量增大. 在等離子體驅動滲透的過程中， ICP等離子體源功率增大， 使得氫等離子體密度增大， 氫氣的等離子體驅動滲透通量也出現(xiàn)增大的實驗現(xiàn)象. 氣體驅動滲透到達穩(wěn)態(tài)的時間大約為50 s， 遠小于等離子體驅動滲透到達穩(wěn)態(tài)的時間1500 s. 本文還利用遲滯時間計算得到了在氣體驅動和等離子體驅動兩種滲透機制下氫原子在液態(tài)Li/Fe的擴散系數(shù)， 分別為D=9.9973×10-7exp［-0.1637（eV）KBT］和D=0.0457exp［-0.8988（eV）KBT］. 在兩種不同的滲透機制下， 由于滲透模型厚度的增大， Li/Fe的氫滲透量均大于單一鐵膜的氫滲透量. 由上述實驗結果可以說明， 本文設計的滲透裝置可以較好地適用于對氫同位素在液態(tài)金屬中的滲透行為的研究. 對于氫同位素在流動液態(tài)金屬中的滲透行為將在之后的工作中進行具體研究.

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