液态锂锡合金中微量氢的提取

液态锂锡合金中微量氢的提取 液态锂锡合金中微量氢的提取 第32卷第3期 2010年6月 核化学与放射化学 JournalofNuclearandRadiochemistry V01.32No.3 Jun.2010 文章编号:O253,995O(2O1O)O3—0172—05 液态锂锡合金中微量氢的提取 谢波,胡睿,谢姝娴,翁葵平 中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳621900 摘要:为了完成混合堆包层氚提取系统的工程设计,依据气体与液态金属接触的动力学 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型,推导了锂锡 合金中氚被载带的近似数学 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式,并以氢模拟氚,利用载带法对液态锂锡合金中的微量氢进行了提取.结 果表明,载带法对液态锂锡合金中氢的提取有效,锂锡合金1kg时He的最佳流速在4L/min左右;在He流 速相同的情况下,温度和载带次数对氢的提取效率影响显着,温度越高,载带次数越多,氢的提取效率越高, 823K下经过6次载带后氢的提取效率达到85. 关键词:锂锡合金;聚变,裂变混合堆;氢提取;载带 中图分类号:TL642文献标志码:A TraceHydrogenExtractionFromLiquidLithiumTinAlloy XIEBo,HURui,XIEShu—xian,WENGKui—ping InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,ChinaAcademyofEngineeringandPhysics,Mia nyang621900,China Abstract:Inordertofinishthedesignoftritiumextractionsystem(TES)offusionfission hybridreactor(FFHR)tritiumblanket,involvingthedynamicmathematicalmodelofliquid metalincontactwithagaseousatmosphere,approximatemathematicalequationoftritiumin 1ithiumtinalloywasdeduced.Moreover,carryingprocessusedfortracehydrogenextraction fromliquidlithiumtinalloywasinvestigatedwithhydrogenbeingusedtosimulatetritiumin thestudy.Thestudyresultsindicatethatcarryingprocessiseffectivewayforhydrogen extractionfromliquidlithiumtinalloy,andthebestflowvelocityofcarriergasisabout4L/ minunder1kgalloyandtemperaturesandcarryingnumbersarethemaininfluencingfactors ofhydrogenextractionefficiency.Extractionefficiencyincreaseswithincreasingtemperature andcarryingnumber.Hydrogenextractionefficiencycanreach85whilethealloysampleis treated6timesat823K. Keywords:lithiumtinalloy;FFHR;hydrogenextraction;carrying 聚变堆或聚变一裂变混合堆(FFHR)发电是 人类获得清洁能源的重要途径.在FFHR的概 念设计中,包层是实现低发电成本和高环境适应 性的能源应用的关键能量转换部件,其主要功能 包括氚增殖,辐射屏蔽和能量转换等.包层按氚 增殖剂分为液态增殖剂包层和固态增殖剂包层. 液态包层氚增殖材料有液态Li,液态合金 LiPb,LiSn,LiPbBi,熔盐Flibe,Flinabe, 收稿日期:2008一I卜i7;修订日期:2009—03—20 基金项目:国家ITER计划专项资助项目(2009GB109006) 作者简介:谢波(1975一),男,湖北潜江人,副研究员,物理化学专业,主要从事同位素 分离与氚工艺研究 第3期谢波等:液态锂锡合金中微量氢的提取173 LiTiO.等.目前技术相对成熟,备受推崇的是 LiPb和_LiSn,两者共同的特点是化学活性和 电导性较低,磁流体动力效应较弱,在包层中既充 当氚增殖剂,又可作为冷却剂将热量载带出来. LiPb的优势在于Pb的(n,2n)反应截面较大, 还具有中子倍增的功能,成为国际热核实验堆 (ITER)和示范型聚变装置(DEMO)液态包层首 选材料[】].与LiPb相比,LiSn具有更低的密 度,蒸汽压,表面张力和黏度,并且氚在LiSn中 的Sievert'S常数是LiPb的5倍以上,更有利于 氚的在线快速提取].为了完成FFHR产氚包 层氚提取系统(TES)的工程设计与建造以及包层 氚增殖材料的选型,在完成液态锂锡合金氚增殖 行为理论分析口和液态锂铅合金提氚技术研究工 作的基础上[4],本工作拟进行液态锂锡合金中微 量氢的提取实验研究,为今后开展液态锂锡合金 中氚的提取提供技术支持. 1锂锡合金中氚被载带的近似数学表达式 根据金属与氢的作用理论【7],氚与液态金属 的气一液两相接触过程可以描述为五个步骤L8]:氚 氚通过与气一液 在熔融金属气泡中的扩散与对流, 界面相连金属层的扩散,在界面发生氚原子重组 的多相反应,氚通过气相边界层的扩散,在载带气 中气相中氚的扩散与对流.假设与气一液界面相 连的熔融合金中存在静态边界层,氚在此处的传 质阻抗不变,则: N(T)===Kl(f(T)一Ci(T))(1) 式中,N(T)为氚从液相气泡到气一液界面的通量, rnol/(m?s);K.为氚在液态合金层中的传质系 数,m/s;C(T)为氚在液态锂锡中的浓度, mol/m.(T)为氚在气一液界面处液态锂锡中的 浓度,mol/m..在平衡和无限稀释的情况下,气 体在气相中的压力和在液相中的浓度遵循 Sievert's定律: po?(T2)一SlC(T)(2) 式中,P.(T)为氚在气一液界面处气相中的分压, Pa;Sl为氚在液态锂锡中的Sievert'S常数; C(T)为氚在气一液平衡时的浓度,mol/m..一般 地,熔融金属脱气动力学过程的关键步骤是其通 过与界面处相连的滞流层的扩散,液相在被充分 搅拌的情况下,N(T)依据下式计算: N(T)一Kl(c(T)一P.?(Tz)/s1)(3) 式中,p(T:)为氚在气相中的分压,Pa.由式(3) 可知,从液相向气相转移的整个氚量取决于氚在 锂锡中的浓度和氚在气相中的分压,在本实验中 对锂锡的充氢行为是相同的,假设对其充氚的行 为也相同,则从液相向气相转移的氚总量仅取决 于氚在气相中的分压.在不考虑氚渗透和衰变的 情况下,锂锡中的氚残留量与从液相向气相转移 的氚量之和即为锂锡中的氚总量.假定第次载 带出来的氚量为: C一Ae一.(4) 则LiSn合金载带出的总氚量(N)为: N一No(C1+Cz+C3+…+C) :=: Nc(5) 暑 由式(4)可知:C1一Ae佃,C.一Ae佃,即 C一C1e"佃,代入(5)式有: N一N'oCl?e廿.(6)f=1 载带前,Lisn合金总氚量()为: N一limN=limJN'oC1?— +o.L ?e.'l—N'oC南(7)l—l一 令a一1/(1一e佃),则有: a—N/(NoC1)(8) 以上各式中,C为第i次载带气中的氚量,;i为 载带次数,一1,2,3,…,;A,B为与贮氚时问有 关的常数;N为载带前的总氚量,mmol;N为每 次载带出的气体总量,mmol.式(8)即为Li.Sn 合金氚被载带的近似数学表达式.N'o与C在第 一 次载带中可以确定,此表达式只需确定a取值 范围,便可近似用于估测Li.Sn合金中残留氚 量.这需要进一步的验证工作,即通过多次改变 合金样品的质量和充氚量,根据载带出的累计氚 量和实测的氚残留量,最终求得a的平均值, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差和相对标准差. 2实验 2.1试样与仪器 试样选择纯度为99.9的Li:Sn合金,在 673K,0.5MPa条件下饱和充氢后,其含氢量 (Q)的理论计算值为5.20mL/kg(以Li.Sn计, 下同);氦气,氢气的纯度为99.995,氩气纯度 为99.95,由成都六菱化工厂提供. HP6890N气相色谱仪,美国安捷伦科技有 限公司;自行研发的液态金属快速测氢仪. 174核化学与放射化学第32卷 2.2实验方法 图1为实验装置示意图,主要由不锈钢熔炉,抽 真空系统,低温分子筛床,手套箱等组成.在充氩手 套箱内将固态锂锡合金封装于不锈钢熔炉中,加热 合金的同时抽真空至1.0Pa左右,加热含氢分子筛 床对液态锂锡合金进行充氢.关闭真空阀门,由配 气罐向熔炉中通人一定量的载带气,通过旋转喷头 鼓泡的方式提取合金中的氢,将氢与载带气的混合 气体送至气相色谱仪,分析计量后由低温分子筛床 将氢吸收,氦排空.同时采用液态金属快速测氢仪 监测合金中氢含量的变化.重复上述过程,直到载 带气体所测氢丰度低于色谱仪的测量下限. 3结果与讨论 3.1温度和载带次数对氢提取效率的影响 不锈钢熔炉的设计温度为1000K,Li.Sn合 金的熔点为470K左右,包层提氚系统的工作温度 在600~900K,因此分别选择623,723,823K的温 度进行实验.假设式(7),(8)可作为Li.Sn合金 氢被载带的近似数学表达式,则可得到a的取值范 围,平均值和标准差.温度和载带次数对氢提取效 率的影响结果列于表1,其中Q(H)是充氢总量, Q(H)是累计提取氢量,Q(H)是残留氢量.将载 带次数()与氢提取效率(y)的关系作图,可得到不 图1实验装置示意图 Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatus l——含氢分子筛床(Hydrogenmolecularsievebed), 2——抽真空系统(Vacuumsystem),3——不锈钢熔炉 (Stainlesssteelfurnace),4——锂锡合金(Lithiumtinalloy), 5——氩气罐(Artank),6——氮气罐(Hetank),7——缓冲罐 (Buffertank),8——气相色谱仪(Gasphasechromatograph), 9——吸氢分子筛床(Molecularsievebedforadsorptionhydrogen), 10——快速测氢仪(Fastmeasurementhydrogendevice), 11——手套箱(Glovebox);(星)——真空计(Vacuumgauge), 0——压力计(Manometer) 同温度下氢提取效率的变化曲线示于图2.由图 2可见,在相同温度下,氢提取效率随载带次数的 增加而增加,但经过6次交换后,曲线趋于平坦, 氢提取效率约在85形成最大值.随着温度的 升高,氢的提取效率明显增加,并且温度越高,第 一 次提取的氢量越大.623K时,氢提取效率较 低;723K时经过6次载带后氢的提取效率为 表1温度和载带次数对氢提取效率的影响 Table1Influenceoftemperatureandcarryingnumbersforhydrogenextractionefficiency T/Km/giQ0l(H)/(mL?kg一)Q(H)/(mL?kg一)Q(H)/(mL?kg一)y/口 注(Note):p=1.0Pa,(He)一4L/min 73678476364841987 95398406433766555 乱色文LLLL仉 49519981980l4O74O强拽眈 n?罟宝"盯 LLLLLLm ?卯驺?似叭 吼LLLLc;L色色曼色 341 123 第3期谢波等:液态锂锡合金中微量氢的提取 图2不同温度下氢提取效率的变化曲线 Fig.2Curvesofhydrogenextraction efficiencyunderdifferenttemperatures T,K:?——623,?——723,?——823 77.0%;823K时载带一次氢的提取效 到62.1.这可以从宏观和微观两个 解释.从宏观动力学上讲,也就是前文 五个步骤,氢被提取离开熔融金属表面 由通过合金晶体的氢扩散,离开晶体表 率就可达 角度进行 所提到的 的过程是 面的解吸 这两种作用综合控制的结果,而扩散系数和解吸 速率常数均与温度有关,并遵循Arrhenius型关 系(在高温范围呈曲线,在低温时为折线),温度越 m/g 175 高,气相中的氢分压越大,由(2)式可知,氢的平衡 浓度越大,被提取的效率越高.从微观上讲,可以 解释为激活能随温度变化的多种微观机制,即氢 的提取离开是从几种类型的解吸格点进行,每种 格点有其对应的激活能.解吸激活能等于吸附热 与吸附活化能之和,通常吸附活化能很小,以致解 吸激活能近似等于吸附热,而吸附热不仅是表面 覆盖范围的函数,也是氢原子跨越两个相邻间隙 之间的鞍点组态必须克服的势垒l_g]. 3.2载带气流速对氢提取效率的影响 在包层TES中有这样的设计理念:既要求较 高的氚提取效率(>90),又要求降低载带气的 量和合适的工作温度.这是因为两点:一是载带 气量太大将直接影响管道和储罐的尺寸设计,系 统空间总容量有限;二是温度太高,对系统材质, 密封的要求变得更加苛刻,不利于工程建造.因 此,在锂锡合金总量确定的情况下,寻求合适的载 带气流速很有意义.载带气流速对氢提取效率的 影响列入表2.将载带次数()与氢提取效率(y) 的关系作图,可得到载带气流速((He))对氢提 表2载带气流速对氢提取效率的影响 Table2Influenceofcarriergasflowvelocityonhydrogenextractionefficiency Q(H)/ (mL?kg一) 1000.543.25 (He)/ (L?min一1) 1O01.583.220.5 999.713.27 1000.693.3310 注(Note):一1.0Pa,T一823K (mL?kg一)(mL?kg一) 98 38 53 2.58 2.6O 2.63 1.06 1.21 1.27 1.32 1.35 1.36 1.84 2.13 2.25 2.39 2.45 2.5O 1.45 1.97 2.07 2.19 2.23 2.24 25 85 O.69 0.64 0.62 0.59 2.14 1.98 1.92 1.87 1.82 1.8O 1.41 1.12 0.99 0.85 0.79 0.73 1.86 1.33 1.21 1.09 1.04 1.O2 y/口 6O.9 73.4 78.0 79.4 80.0 8O.1 33.0 37.5 39.6 40.9 42.1 42.3 56.4 65.3 68.9 73.O 75.1 76.5 43.5 59.2 63.4 65.9 67.0 67.3 0.82 0.69 0.64 O.63 0.63 0.62 2.86 2.51 2.39 2.30 2.25 2.23 0.96 0.83 0.79 O.74 O.72 0.70 1.58 1.O5 1.O3 1.O2 0.670.06 2.42O.22 0.790.11 1.15O.12 ??如加如加 基 10 1o2 n l1 123456123456123456123456 l76核化学与放射化学第32卷 取效率的影响曲线,结果示于图3.由图3可 知,载带气流速为0.5L/min时,载气不足,难以 将合金中的氢尽可能地载带出来;随着载带气 流速的增加,氢提取效率也随之增加,对于1kg 左右的Li.Sn合金,当氦气流速约为4L/rain 时,氢被提取的效率最高,再加大氦气流速反而 降低了氢的提取效率.这是因为当氦流速太大 时,氢分压亦大大降低,依据步骤过程的叙述和 (3)式的分析,说明液相中的扩散溶解是相对不 溶的,即在液相表面和气相间的传质阻力,与扩 散进入壁面移动液相层的阻力相比很小,理论 上的解释可能是合金层壁面的Ripples效应和氦 气的Impinging效应的综合作用导致气一液接触面 积的增加L9J. 9O 80 70 蒌60 5O 4O 30 l 图3He气不同流速对氢提取效率的影响 Fig.3Influenceofhydrogenextraction efficiencyunderdifferentHeflowvelocity 口(He),L/min:?——O.5,?——2, ?——4,×——6,-'X-——10 6 4结论 为了完成混合堆包层氚提取系统的工程设计 和产氚材料的选型,采取惰性气体载带法,以氢模 拟氚的方式,对液态LiSn合金中的微量氢开 展了提取实验.结果表明,载带法对液态锂锡合 金中氢的提取是有效的,对于1kg的Lisn合 金而言,He的最佳流速在4L/rain左右;在He流 速相同的情况下,温度和载带次数对氢的提取效 率影响显着,温度越高,载带次数越多,氢的提取 效率越高.此外,依据气一液数学模型,推导了锂 锡合金中氚被载带的近似数学表达式,此式有待 于后续实验的进一步验证. 参考文献: [11郝嘉琨.聚变堆材料[M1.北京:化学工业出版社, 2006:1-10. 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