[发明专利]一种用于氚储存的Zr-Fe系合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于氚储存的Zr‑Fe系合金及其制备方法。该合金的化学式为Zr_2‑xTi_xFe_1‑y‑zNi_yCo_z，其中x、y、z分别表示Ti、Ni、Co替代Zr、Fe的原子比，x为0.01～0.05，y为0.01～0.05，z为0.01～0.03。其制备方法包括以下步骤：(1)按照化学式配料，在高纯氩气保护下采用真空非自耗电弧炉翻身熔炼3～5遍，制成铸锭；(2)对熔炼好的铸锭重新加热至熔融状态，施加磁力搅拌并持续2～5min。本发明提供的合金为低平衡压的储氢合金，其具有室温平衡压力坪台低于1Pa、吸放氢(氚)速率快、循环寿命优良、抗氢致歧化以及储氢(氚)容量大等优点。此外，本发明的制备方法操作简单、易于实现、效率高，而且相比较为常用的ZrCo及ZrNi合金成本更低。

技术领域

本发明涉及一种用于氚储存的Zr-Fe系合金及其制备方法，属于储氢合金技术领域。

背景技术

氚是一种重要的战略资源，在能源、国防等领域均具有举足轻重的作用。由于热核聚变反应中会使用到大量的氚，因此该反应过程产生的尾气中将含有氚，而氚属于贵重原料，同时具有放射性，会污染环境，所以需要通过技术手段进行资源回收以达到无害化处理的目的。氚的稀缺性、放射性以及在能源和国防领域的关键作用，决定了实现涉氚系统中氚的快速、安全、可靠的储存、输运、供给的重要性。

氚的安全处理、储存以及运输需要所用的储氢材料室温下氢(氚)化物平衡压力尽可能低，以保障放射性氚的高效吸收，尽可能避免氚在转运过程中进入环境，造成氚的浪费；另一方面，需要储氢合金具有良好的循环寿命和较低的氚滞留量，避免氚在储氢材料中的不可逆滞留。由此，选择合适的储氚材料，对于可控核聚变堆的发展是极为重要的关键技术之一。

现有的涉氚系统中使用的储氚材料一般为单质铀，铀具有吸放氢(氚)动力学性能佳、室温离解平衡压低(10^-3Pa)等优势，但其作为一种核材料，又存在储氢容量偏低(140mL/g)，氢化易粉化，事故条件下易发生自燃，释氢(氚)温度高等缺点，不能完全满足可控聚变反应堆等涉氚工程技术领域中氚的安全储存、运输以及供给系统对储氚材料的技术要求。

现有的储氚材料由于无法兼顾高储氚容量、高稳定性、低平衡离解压力、良好的吸放氢动力学性能及较强固氦能力等特性，尚无法完全满足技术需求。

从功能上来讲，ZrCo、ZrVFe、ZrNi、Zr₂Fe等合金材料都有可能作为氢同位素储存材料。ZrVFe合金虽然吸氢效果良好，但它极低的坪台压力(10^-8Pa)使脱氢温度大于700℃，不适合实际生产；ZrNi合金具有两个吸氢坪台，完全释氢需要在600℃以上，无法保证使用的安全性。综合考虑到实际商业生产中使用的客观条件和经济效果，Zr₂Fe合金具有吸氢速率快、吸收彻底、不易粉化、释氢温度适宜等特点，同时Zr₂Fe合金原料及生产成本也要低于其他合金材料，更适合在大规模工业生产中作为氢同位素气体储存材料。

然而Zr₂Fe合金在使用过程中会发生氢致歧化反应，生成热力学稳定的ZrH₂相和ZrFe₂相，造成不可逆储氢容量的损失以及其自身循环使用寿命的下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于氚储存的Zr-Fe系合金。该合金具有良好的抗氢致歧化性能、优异的吸放氢动力学性能及室温氢化物分解平衡压力。

本发明的另一目的在于提供一种所述Zr-Fe系合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：