等离子体-气体渗透装置中静态液态锂-固态金属膜双层结构Li/Fe的氢渗透行为研究

荆文娜 刘建星 王思蜀 陈波 陈建军韦建军 叶宗标 芶富均

在未来聚变堆中， 氚透过第一壁的渗透和滞留行为是影响氚自持以及装置核安全的重要问题. 针对这一问题， 四川大学先进核能实验室自主设计了可以研究气体和等离子体驱动的氢同位素在静态/流动液态金属中渗透行为的装置. 本文详细地介绍了该装置， 并分别研究了在气体驱动和等离子体驱动这两种渗透机制下， 氢透过静态双层渗透结构Li/Fe的渗透行为. 从实验结果中发现， 温度的升高会使得气体驱动的氢渗透通量升高， 且到达稳态的时间缩短. ICP等离子体源功率增大， 引起氢等离子体密度增大， 也会使得等离子体驱动的氢渗透通量升高. 气体驱动渗透到达稳态的时间远小于等离子体驱动渗透到达稳态的时间. 本文还通过迟滞时间法计算得到了两种不同渗透驱动机制下氢原子在Li/Fe中的扩散系数. 实验结果表明， 该渗透装置可以较好地对氢同位素在液态金属中的渗透行为进行研究.

液态金属； 双层结构； 气体驱动氢渗透； 等离子体驱动氢渗透

O53A2023.014001

收稿日期： 2022-08-03

基金项目： 国家自然科学基金（11905151， 11875198）; 国家重点研究发展计划（2022YFE03130000）

作者简介： 荆文娜（1999-）， 女， 山西运城人， 硕士研究生， 研究方向为核技术及应用.

通讯作者： 芶富均. E-mail： gfujun@scu.edu.cn; 叶宗标.  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

可控聚变能具有安全、清洁和燃料来源丰富等优点， 被认为是未来人类解决能源问题的主要选择之一［1］. 在聚变装置中， 面向等离子体材料所要承受的表面高热负荷和高粒子通量是搭建聚变装置的主要工程问题， 这也决定了面向等离子体材料的选择［2］. 液态锂具有导热性高、氚提取简单以及可以自愈合等特性， 作为面向等离子体材料被广泛应用在包括NSTX［3］、EAST［4］和FTU［5］等多个聚变装置内， 并且液态锂或锂合金在核聚变反应堆里还可以作为冷却剂， 把反应堆产生的热量导出， 是大功率空间反应堆和未来聚变反应堆的主选冷却剂材料. 聚变装置中最易发生的反应是氘氚聚变［6］， 而氚产量极低， 价格昂贵并具有放射性， 为了满足聚变堆的经济性和安全性， 聚变装置中的氚的存量必须小于1 kg［7］. 然而， 氢同位素（氘和氚）在面向等离子体部件（PFCs）中的渗透和滞留行为使得聚变装置中的氚自持难以实现. 因此， 聚变反应堆的设计需要对氢同位素的渗透和滞留行为进行全面和系统的了解［8］.

中国科学院等离子体物理研究所的Zhou等人［9-11］研制了PREFACE装置， 对氢同位素在ITER中的第一壁金属W和散热器材料Cu以及铜合金CuCrZr的渗透行为进行了系统研究， 评价了各类材料的渗透系数和扩散系数. Bi等人［12， 13］依托日本核融合科学研究所VEHICLE-1线性等离子体装置， 研究了气体驱动渗透和等离子体驱动渗透下的氢及其同位素透过液态Li、Ga以及GaInSn等液态金属的渗透行为， 证实了氢同位素透过液态Li的等离子体驱动渗透满足表面复合限制机制， 透过液态Ga和GaInSn的等离子体驱动渗透满足扩散限制机制. 由于渗透原理的一致性， 固态金属与液态金属的氢渗透装置无较大差别， 主要的区别在于不同样品的设置上. 中国工程物理研究院的Guo等人［14］利用氢同位素渗透传感器检测了注入氢气后的渗透腔室内的氢同位素的分压变化， 校准了液态LiPb合金中的氢同位素渗透速率. 但目前， 当聚变装置内以液态金属作为面向等离子体材料运行时， 气体和等离子体驱动下的液态金属-固态金属膜双层结构下的氢同位素渗透行为研究极为缺乏.

为了更好地了解氢同位素（氘、氚）在这种由固态金属膜支撑液态金属的双层渗透结构中的渗透滞留行为， 四川大学先进核能实验室自主设计研发了一台可以实时检测气体或等离子体驱动下的氢同位素在静态/流动液态金属中的渗透行为装置. 本文详细介绍了该装置的结构以及功能， 并分别研究了在气体或等离子体驱动渗透下的氢在双层渗透结构Li/Fe中的扩散渗透行为， 计算得到了氢原子在两种不同驱动机制下的扩散系数公式.

2 实 验

2.1 实验装置

由四川大学先进核能实验室自主研发设计的液态金属氢渗透装置实物图和示意图分别如图1和图2所示. 该装置分为左右两个部分. 装置右侧为静态液态金属氢渗透装置， 具体结构如图3所示. 装置左侧为流动液态金属氢渗透装置， 具体结构如图4所示. 此装置的优势是将研究静态液态金属的氢渗透装置与研究流动液态金属的氢滞留装置集成于一体， 共用一套真空系统和供气系统.

研究静态液态金属氢渗透的装置主要是由真空系统、供气系统、等离子体源、腔室和四极杆质谱仪等装置组成（图3）. 真空系统是由机械泵、分子泵、超高真空气动挡板阀、超高真空插板阀和电离规等部件组成， 可以为上、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别达到大约10-4 Pa和10-5 Pa. 上腔室内部的体积大约为5969 cm3. 在上腔室内通入H2/D2或者安装电感耦合等离子体（ICP）离子源， 可以分别进行气体驱动渗透或等离子体驱动渗透实验. 下腔室与四极杆质谱仪（QMS）相连， 通过检测H+/H2+离子流的变化得到氢的渗透通量. QMS（普发真空， QMG250）需要在超高真空条件下工作（<10-4 Pa）. 样品通过下方的电阻丝进行加热， 在样品下部有段垂直的冷却管道， 可对实验过程中掉落的液态金属进行冷却， 避免掉落的液态金属对质谱仪和下腔室分子泵造成破坏.

装置左侧为流动液态金属氢滞留装置（图4）. 熔融的液态锂由氩气驱动完成循环， 整个锂回路是由316L不锈钢搭建而成. 循环回路的基本顺序由图5所示. 熔融罐内部安装有电阻液位计， 可以对罐内的液态锂的液位和平均流速进行监测. 上游管道的液态锂通过小孔径的喷嘴流入流动液态锂氢滞留装置的上腔室内， 喷嘴可保证液态锂平滑流出. 流动的液态锂在腔室内与氢等离子体相互作用后， 通过下游管道进入回流罐内. 当回流罐内的液态锂到达一定量时， 充气装置向回流罐中充入一定量的氩气， 罐内的压强差将液态锂泵出， 顺着回流管道回流到熔锂罐中， 完成一次锂循环. 由于液态锂在350 ℃左右才能达到较好的润湿性， 为了完成在管道内的循环流动， 循环回路的管道内部都安装有加热棒， 对液态金属进行加热. 流动液态金属氢渗透装置内还设置有氩气保护装置. 若ICP射频等离子体源功率过大， 造成石英管破裂， 液态锂暴露于空气中极易引发火灾， 氩气保护装置可防止液态锂直接暴露于空气中. 其原理为当电离规检测到腔室内的真空度出现剧烈上升达到大气压水平左右， 会紧急启动氩气保护装置， 此时充气系统向腔室内通入大量氩气， 降低液态金属与空气接触的可能， 防范火灾， 尽量减少对实验人员的伤害.

2.2 实验条件

本次实验主要利用右侧的静态液态金属氢渗透装置. 在气体驱动渗透实验中， 泵入上腔室的氢气压力为50 Pa， 实验温度范围为595～656 K. 在等离子体驱动渗透实验中， 使用ICP离子源产生稳定的氢等离子体， 产生等离子体的氢气压力为0.1 Pa. 等离子体参数可以用一个可移动的朗缪尔探针来测量， 不同位置的等离子参数如图6所示. 样品放置在25 mm处， 当ICP等离子体源工作功率为100 W时， 电子温度大约为7.5 eV， 电子密度大约为6.2×108 cm-3， 等离子体轰击通量大约1.2×1019 H·cm-2·s-1， 等离子体离化率约为0.16%.

当温度为663 K时， 不同ICP功率的氢等离子体透过2 mm Li/Fe的渗透通量随时间的演化过程如图8所示， 由朗缪尔探针测得的氢等离子体参数如表1所示. 在气体驱动渗透实验中， 高频电场将氢气电离成氢等离子体， 但由于ICP电源产生的氢等离子体离化率较低， 所以在等离子体驱动渗透的过程中也会引发气体驱动渗透. 因此， 为了尽可能减小气体驱动渗透对等离子体驱动渗透的影响， 选择合适的氢气压强至关重要. 在本次实验中氢气的压强为0.1 Pa. 当等离子体源功率分别为100、200和300 W时， 相应的等离子体驱动饱和渗透通量分别为5.9×1013、9.7×1013和1.4×1014 H2 cm-2·s-1. ICP等离子体源功率的增大， 引起氢等离子体密度增强， 氢气的等离子体驱动氢渗透通量增大.

图9为温度为663 K， 氢气压强均为0.1 Pa时的气体驱动渗透和等离子体驱动渗透曲线随时间演变的对比图. 等离子体驱动实验中的等离子体源功率为200 W. 等离子体驱动饱和渗透通量为9.7×1013 H2 cm-2·s-1， 气体驱动饱和渗透通量为3.5×1013 H2 cm-2·s-1. 由图9可以看出， 等离子体驱动渗透的曲线与气体驱动渗透的曲线相似， 但是可以很明显地看到， 等离子体驱动渗透的渗透曲线到达稳态的渗透时间大约为1500 s， 远大于相同温度下的气体驱动渗透的稳态渗透时间（50 s）.

本文使用迟滞时间法［18］计算得到Li/Fe双层渗透结构中的氢原子的扩散系数.

tlag=L2/6D （2）

其中， tlag（s）为渗透曲线的迟滞时间; L（cm）为Li/Fe双层渗透模型的厚度. 如图10所示扩散系数D的变化符合Arrhenius方程［19］

D=D0exp［-ΔEdKBT］ （3）

其中， D0（cm-2·s-1）为扩散前指数因子; ΔEd（eV）为扩散激活能; KB表示为玻尔兹曼常数. 在本实验测量范围内， 氢原子透过Li/Fe双层渗透结构， 在气体驱动渗透的机制下， 扩散系数随温度的关系如式（4）所示.

D=9.9973×10-7exp［-0.1637（eV）KBT］ （4）

在等离子体驱动渗透机制下， 扩散系数随温度的关系如式（5）所示.

D=0.0457exp［-0.8988（eV）KBT］ （5）

在实验温度范围为570～660 K， 氢气压强为50 Pa的气体驱动渗透的实验条件下， 单层固态金属铁膜与双层渗透结构Li/Fe在气体驱动渗透机制下的饱和渗透通量比较如图11a所示. 在实验温度范围同样为570～660 K， 氢气压强为0.1 Pa， ICP功率为100 W的等离子体驱动渗透实验条件下， 铁膜与Li/Fe在等离子体驱动渗透机制下的饱和渗透通量比较如图11b所示. 由扩散公式（4）（5）所知， 在气体驱动和等离子体驱动的渗透机制下， 氢原子透过Li/Fe双层渗透结构的扩散系数均与温度成正比. 又如公式（1）所示， 氢渗透通量与扩散系数成正比， 因此， 氢渗透通量随温度的升高而增大. 在两种不同的渗透机制下， 都出现了氢透过单层铁膜的渗透通量明显大于氢透过Li/Fe双层渗透结构的实验现象. 很显然， 这是由于液态锂的加入增大了渗透模型的厚度.

3.2 分析与讨论

在气体驱动渗透的过程中， 液态锂表面的氢分子通过吸附和解离作用裂解成氢原子. 表面裂解的部分氢原子再次复合， 形成氢气分子从液态锂的上表面逸出; 另一部分未在上表面复合的氢原子在金属介质中溶解和扩散， 并在下表面复合形成氢气渗透到下腔室中. 在等离子体驱动渗透的过程中［20］， 一部分撞击表面的氢原子和离子会直接散射回等离子体中; 未散射的氢原子和离子均以原子的形式被滞留在液态金属上表面的注入区中［8］. 注入区由各种缺陷组成. 在注入材料的氢溶解度较低的极端情况下， 氢原子可能在注入区发生表面重组， 形成氢气分子从上表面逃逸; 未被注入区捕获的氢原子将继续在金属介质中扩散， 并在下表面中形成氢气渗透到下腔室中. 如图9所示， 相比于气体驱动渗透， 等离子体驱动渗透通量更大但到达饱和的渗透时间更长. 此现象最有可能的原因是等离子体驱动的扩散激活能（0.8988 eV）大于气体驱动的扩散激活能（0.1637 eV）. 这表明等离子体驱动渗透下的氢原子比气体驱动渗透下的氢原子更难以在Li/Fe中扩散. 但氢等离子体轰击能量较大， 氢原子进入Li/Fe双层渗透结构内部并渗透到下腔室仍较为容易， 因此等离子体渗透通量更大. 而氢等离子体在轰击过程中， 使液态锂表面的温度缓慢上升（液态金属的比热容相比固态金属的大）， 导致液态锂对氢原子的包括扩散系数和溶解度在内的各类渗透系数随之增大， Li/Fe双层渗透结构内部到达稳态饱和的时间延长， 因此等离子体驱动渗透到达饱和的渗透时间更长.

4 结 论

本文详细地介绍了四川大学先进核能实验室自主设计的静态/流动液态金属氢渗透装置， 分别研究了在气体驱动和等离子体驱动两种渗透机制下， 氢透过静态双层渗透结构Li/Fe的渗透行为. 在气体驱动渗透的过程中， 氢渗透通量随着温度的升高， 渗透时间逐渐缩短， 氢气的气体驱动渗透通量增大. 在等离子体驱动渗透的过程中， ICP等离子体源功率增大， 使得氢等离子体密度增大， 氢气的等离子体驱动渗透通量也出现增大的实验现象. 气体驱动渗透到达稳态的时间大约为50 s， 远小于等离子体驱动渗透到达稳态的时间1500 s. 本文还利用迟滞时间计算得到了在气体驱动和等离子体驱动两种渗透机制下氢原子在液态Li/Fe的扩散系数， 分别为D=9.9973×10-7exp［-0.1637（eV）KBT］和D=0.0457exp［-0.8988（eV）KBT］. 在两种不同的渗透机制下， 由于渗透模型厚度的增大， Li/Fe的氢渗透量均大于单一铁膜的氢渗透量. 由上述实验结果可以说明， 本文设计的渗透装置可以较好地适用于对氢同位素在液态金属中的渗透行为的研究. 对于氢同位素在流动液态金属中的渗透行为将在之后的工作中进行具体研究.

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