氚在不锈钢中的渗透特性

何长水

摘 要：通过建立316L不锈钢在液相水中的氚渗透实验装置和蚀刻溶解法氚深度分布测量装置，开展260℃-320℃高温下氚在316L不锈钢中的渗透特性实验，获得了氚在316L基体中的扩散系数及其表面的水-氚同位素交换效应特性参数。

关键词：不锈钢；氚渗透；氢同位素交换效应

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

1 前言

不锈钢作为一种重要的结构材料，在众多领域得到广泛的应用。例如在核领域的聚变堆氘氚燃料循环系统中，不锈钢可用作氢同位素气体的输运管道及包容结构材料。氢同位素气体在不锈钢材料基体中具有较大的溶解度，造成不锈钢氢脆的安全问题。此外，作为放射性氢同位素气体的氚，通过不锈钢基体渗透到外界会造成环境污染的安全问题。对于氢在不锈钢中的扩散渗透行为，国内外已有大量的研究，但氢的同位素氚作为放射性气体，其在材料中的扩散渗透行为研究相对较少。

2 实验研究方法

2.1 实验原理

采用氢的放射性同位素氚进行渗透实验研究，其优点是氚的渗透量与速率易测量[1]。假定不锈钢材料上游为气态氚，下游为液相水。當不锈钢材料与外界的液相水接触时，氚的渗透行为可表现为三个过程：①气相氚在上游表面的吸附；②氚原子在材料基体中的扩散；③氚在下游表面与水的氢同位素交换。通过测量渗透下游近表面层水中的氚活度浓度变化速率J、以及下游表面氚原子浓度C，根据公式J=kexC2，即可得到水氚同位素交换速率常数kex，由kex=k0exp（-Eex/RT）得到氢同位素交换反应激活能Eex。

（1）水中的氚溶出速率J测量方法[2]：按一定的时间间隔对渗透下游的水进行取样，液闪测量水样的氚活度浓度，计算累积氚渗透量Q，由dQ/dt得出氚溶出速率J。

（2）样品表面氚浓度C测量方法[3]：渗透结束后尽快将样品取出，在化学蚀刻液中逐层蚀刻，由蚀刻时间控制每层的蚀刻深度Di，由台阶仪测量蚀刻深度。每一层蚀刻的溶液再用液闪仪测量其氚活度浓度，计算每层中的氚原子浓度Ci。由Di—Ci变化曲线，推算得到样品表面的氚原子浓度C0。

2.2 实验样品

实验样品为核领域常见的316L不锈钢，尺寸为Φ23×2mm，样品有效渗透面积约为3.14cm2，表面采用机械抛光的方式去掉其表面的天然氧化膜。

2.3 主要测量设备

采用液体闪烁计数仪测量渗透水样及溶解水样的氚活度，仪器型号为HIDEX 300SL型，编号2140403。该仪器测量下限约为1Bq，测量上限105Bq。

3 实验结果与分析

在1.0Pa氚分压320℃时，24小时之内即达到稳态氚渗透，随着实验温度降低，达到稳态氚渗透的时间延长。典型的316L不锈钢的氚渗透量随时间变化如图1所示。

基体内氚浓度随蚀刻深度变化如图2所示。氚渗透速率达到稳态后，316L不锈钢基体内的氚浓度没有明显的分布梯度，基本呈均匀分布。各温度渗透样品的平均氚浓度C列于表1，按公式J=kexC2计算的水-氚同位素交换系数kex也列于表1。

根据表1数据，作水-氚同位素交换系数与温度倒数的关系曲线，符合Arrhenius关系，拟合得316L不锈钢表面水-氚同位素交换系数的温度影响表达式：。

根据固体薄膜材料厚度L、氚通过该材料扩散从非稳态到稳态的延迟时间τ，可求得氚的在材料中的扩散系数D：。本实验中281℃的氚渗透曲线对应的延迟时间为18小时，结合样品厚度2mm，求得281℃时氚在316L不锈钢中的扩散系数为10.2E-12 m2/s，这与文献值277℃氚在316L不锈钢中的扩散系数为8.35E-12 m2/s基本一致[4]。

4 结论

（1）通过本论文的研究，掌握了不锈钢材料氚渗透速率及其基体内氚深度分布的测量方法。

（2）通过测量氚渗透速率及渗透下游表面的氚浓度，获得了氚在316L基体中的扩散系数，获得了316L不锈钢表面的水-氚同位素交换效应参数。

参考文献：

[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]陈长安，武胜，倪然夫等.氚在不锈钢中的体扩散行为[J].核化学与放射化学，2000，Vol.22，No.3：144-149.

[4]山常起、吕延晓.氚及防氚渗透涂层材料[M].北京：原子能出版社，2002：254-255.endprint