МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА СОРБЕНТАМИ НА ОСНОВЕ ВАНАДИЕВЫХ СПЛАВОВ

ВВЕДЕНИЕ 7 ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9 1.1 Предшествующие исследования 9 1.2 Сорбционно-десорбционный метод определения параметров взаимодействия изотопов водорода с материалами 19 1.2.1 Диффузия в пластине 19 1.2.1.1 Полуограниченное тело 19 1.2.1.2 Пластина конечной толщины 21 1.2.2 Способы обработки экспериментальных результатов 24 1.2.2.1 Распределение концентрации по толщине образца 24 1.2.2.2 Поток газа 24 1.2.2.3 Количество вещества 25 1.2.3 Изучение процессов сорбции-десорбции по измерению изменения давления в резервуаре 27 ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ОБРАЗЦЕ 31 ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37 3.1 Исследуемые материалы 37 3.2 Создание экспериментальной установки и отработка методики сорбционных экспериментов с ванадиевым сплавом V4Cr4Ti 37 3.3 Сорбционный эксперимент с ванадиевым сплавом V4Cr4Ti 41 ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 44 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 49 ?

1. Golubkov A.N., Yukhimchuk A.A. Synthesis of the dihydride phase of Vanadium //J Alloys Compds. – 2005. – Vol. 404-406. – P. 35-37. – DOI:10.1016/j.jallcom.2004.11.120. 2. Lin H.C., Lin K.M., Wu K.C., Hsiung H.H., Tsai H.K. Cyclic hydrogen absorption-desorption characteristics of TiCrV and Ti0.8Cr1.2V alloys //Int J Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – P. 4966-4972. 3. Mazzolai G. Some physical aspects of hydrogen behaviour in the H-Storage BCC alloys Ti35VxCr65-x, Ti40VxMn50-xCr10 and TixCr97.5-xMo2.5 //Int J Hydrogen Energy. – 2008. – Vol. 33. – P. 7116-7121. 4. Song X.P., Pei P., Zhang P.L., Chen G.L. The influence of alloy elements on the hydrogen storage properties in vanadium-based solid solution alloys //J Alloys Compds. – 2008. – Vol. 455. – P. 392-397. 5. Shkolnik I. V., Kulsartov T.V., Tazhibaeva I.L., Shestakov V.P. Investigation of the Surface Element Composition Influence on Hydrogen Permeability Through Vanadium Alloy VCr4Ti4 //Fusion Technology. – 1998. – Vol. 34. Iss. 3. – P. 868-871. 6. Kulsartov T.V., et al. Hydrogen permeation through vanadium alloy V4Cr4Ti 'in situ' of reactor irradiation //J. Nucl. Mat. – 2000. – Vol. 283. – P. 872-875. 7. Kulsartov T.V., Shestakov V.P., Chikhray Y.V., Kenzhin Y.A., Tazhibayeva I.L. Studies of reactor irradiation effect on hydrogen isotope release from vanadium alloy V4Cr4Ti //J. Nucl. Mat.(Impact Factor: 2.02). – 2007. – Vol. 367. – P. 844-847. – DOI: 10.1016/j.jnucmat. 2007.03.072. 8. Lototsky M.V., Yartys V.A., Zavaliy I.Y.. Vanadium-based BCC alloys: phase-structural characteristics and hydrogen sorption properties //J Alloys Compds. – 2005. – Vol. 404-406. – P. 421-426. 9. Elena D. An overview of advance materials for hydrogen storage //J Mat Proc Tech. – 2005. – Vol. 162-163. – P. 169-177. 10. Bououdina M., Grant D., Walker G. Review on hydrogen absorbing materials – structure, microstructure, and thermodynamic properties //Int J Hydrogen Energy. – 2006. – Vol. 31. – P. 177-182. 11. Pei P., Song X.P., Liu J., Zhao M., Chen G.L. Improving hydrogen storage properties of Laves phase related BCC solid solution alloy by SPS preparation method //Int J Hydrogen Energy. – 2009. – Vol. 34. – P. 8597-8602. 12. Cho S.W., Park N.C., Yoo J.H., Choi J., Park J.S., Suh C.Y., et al. Hydrogen absorption-desorption characteristics of Ti(0.22+x)Cr(0.5-2.5x)V(0.5-2.5x) (0 ? x ? 0.12) alloys //J Alloys Compds. – 2005. – Vol. 403. – P. 262-266. 13. Smith D.L., Chung H.M., Loomis B.A., Matsui H., Votinov S., Witzenburg W.V. Development of vanadium-based alloys for fusion first wall blanket applications //Fusion Eng Design. – 1995. – Vol. 29. – P. 399-410. 14. Fukumoto K., Morimura T., Tanaka T., Kimura A., Abe K., Takahashi H., et al. Mechanical properties of vanadium based alloys for fusion reactor //J Nucl Mater. – 1996. – Vol. 239. – P. 170-175. 15. Peterson D.T., Nelson S.O. Isopiestic solubility of hydrogen in vanadium alloys at low temperatures //Metallurgical transactions A. – 1985. – Vol. 16. – Iss. 3. – P. 367-374. 16. Veleckis E., Edwards R.K. Thermodynamics properties in the System Vanadium-Hydrogen, Niobium-Hydrogen and Tantalum- Hydrogen //J. Phys. Chem. – 1969. – Vol. 73. – Iss. 3. – P.683-692. 17. Alefeld G., Volkl J. Hydrogen in metals: Basic Properties. Berlin: Springer-Verlag, 1978. - 426 p. 18. Alefeld G., Volkl J. Hydrogen in metals: Application-oriented properties, Berlin: Springer-Verlag, 1978. - 387 p. 19. Svedberg R.C., Buckman R.W. Gas metal reactions in vanadium and vanadium-based alloys //International Metal Reviews. – 1980. – Vol. 25. – Iss. 1. – P. 223-231. 20. Cannelli G., Mazzolai F.M. Anelastic relaxation effects in cold-worked and hydrogen doped vanadium //J. Phys. Chem. Solids. – 1970. – Vol. 31. – Iss. 8. - P.1913–1919. 21. Bose, Arun C. Inorganic Membranes for Energy and Environmental Applications. New York: Springer-Verlag, 2009. - 320 p. 22. Fukai Y., Sugimoto H. Diffusion of hydrogen in metals //Advances in physics. -1985. - Vol. 34. – Iss. 2. - P. 263-326. - DOI:10.1080/00018738500101751. 23. Zh Qi, et al. Tritium diffusion in V, Nb and Ta //J. Phys. F: Met. Phys. 13. – 1983. – Vol. 13. – No. 10. – P. 2053-2062. 24. Lottner V., Haus J.W., Heim A. and Kehr K.W. //J.Phys.Chem.Solids, -1979. - Vol.40. - P.557 25. Freudenberg U., Volkl J. V., Bressers J., Alefeld G. Influence of impurities on the diffusion coefficient of hydrogen and deuterium in vanadium //Scripta Metallurgica. -1978. - Vol. 12. - P.165-167. 26. Schaumann G., Volkl J.V., Alefeld G. The diffusion coefficients of hydrogen and deuterium in vanadium, niobium and tantalum by Gorsky-effect measurements //Phys. Stat. -1970. - Vol. 42. -P.401. 27. Eguchi T., Morozumi S. The Metal-Hydrogen System //J. of the Japan Institute of Metals. - 1977. - Vol. 41. - P.795. 28. Freudenberg U., Volkl J. V., Bressers J., Alefeld G. Influence of impurities on the diffusion coefficient of hydrogen and deuterium in vanadium //Scripta Metallurgica. - 1978. - Vol. 12. - P.165-167. 29. Tanaka S., Kimura H. Solubility and Diffusion of Hydrogen in Vanadium and its alloys around room temperature //Trans. JIM. - 1978. - Vol. 20. - P.647. 30. Pine D.J., Cotts R.M Diffusion and electrotransport of hydrogen and deuterium in vanadium-titanium and vanadium-chromium alloys //Physical review B. - 1983. - Vol. 28. – Iss. 2. - P.641. 31. Pine D.J., Cotts R.M. Diffusion of hydrogen in vanadium-based BCC alloys // Electronic Structure and properties of hydrogen in metals. - New York: Plenum Press, 1983. - 465 p. 32. Peterson D.T., Herro H.M. Hydrogen and Deuterium Diffusion in vanadium-Titanium Alloys //Metallurgica Transactions A – 1987. - Vol. 18A. - P. 249. 33. Reiter F., Forcey K.S., Gerwasini A. A Compilation of Tritium-material Interactions Parameters in Fusion reactor materials // Commission of the European Communities, ISPRA. Joint research center report EUR 15217 EN. - 1993. - 54 p. 34. Peterson D.T., Nelson S.O. Isopiestic Solubility of Hydrogen in Vanadium Alloys at Low Temperatures //Metallurgical transactions. -1985. - Vol. 16 - P.367. 35. Pick M.A., Andrew P.L. Review of tritium retention in first wall materials //Joint European Torus Report, JET-P(93). -1993. - 93 P. 36. Oriani R.A. The diffusion and trapping of hydrogen in steel //Acta. Metall. -1970. - Vol. 18. - P. 147. 37. Kircheim R. Solubility, diffusivity and trapping of hydrogen in dilute alloys, deformed and amorphous metals – II //Acta metall. -1982. - Vol. 30. - P.1069-1078. 38. McLellan R.B., Yoshihara M. The diffusion of hydrogen in B.B.C. V-Ti solid solutions //J. Phys. Chem. Solids. -1987. - Vol. 48. - Iss. 7. - P. 661-665. 39. McLellan R.B. Hydrogen diffusion in V-Ti Solutions //Scripta metallurgica. - 1987. - Vol. 21. - P. 1263-1265. 40. Shirley A.I., Hall C.K. Trapping of Hydrogen by metallic Substitutional Impurities in niobium, Vanadium and Tantalum //Acta Metall. - 1984. - Vol. 32. – Iss. 1. - P.49-56. 41. Tanaka S., Kimura H. Solubility and Diffusion of Hydrogen in Vanadium and its alloys around room temperature //Trans. JIM. - 1979. - Vol. 20. - P.647. 42. Peterson D.T., Herro H.M. Hydrogen and Deuterium Diffusion in vanadium-Titanium Alloys //Metallurgica Transactions A. - 1987. - Vol. 18. - Iss. 2. - P. 249-254. 43. Anderl R.A., Longhurst G.R., Struttmann D.A. Permeation of Deuterium, Implanted into V-15Cr-5Ti //Journal of nuclear materials. - 1987. – Vol.145. - P. 344-347. 44. Kofstad P., Wallace W.E. Vapor pressure studies of the vanadium-hydrogen system and thermodynamics of formation of vanadium – hydrogen solid solutions //J.Am.Chem.soc. - 1959. – Vol. 81. - P. 5019-5022. 45. Eguchi T., Morozumi S. Influence of alloying elements on the solubility of hydrogen in vanadium //J. of the Japan Institute of Metals. - 1974. – Vol. 38. – Iss. 11. – P. 1025-1030. 46. Boes N., Zuchner H. Measurements of the solubility of hydrogen in vanadium, niobium and tantalum with a new electrochemical method //Berichte der Bunsen-Gesellechaft. - 1976. – Vol. 80. – Iss. 1. - P. 22-27. 47. Lynch J.F., Reilly J.J., Millot F. The absorption of hydrogen by binary vanadium- chromium alloys //J. Phys. Chem. Solids. - 1978. - Vol. 39. - P. 883-890. 48. Bleichert H., Wenzel H. Variable Solubility of the Hydrogen isotopes, Protium, Deuterium, Tritium in Vanadium //Phys. Stat. Sol. - 1987. B. – Vol. 144. – Iss. 1. – P. 361-373 49. И. Н. Бекман. Математика диффузии: учебное пособие. - Москва: ОнтоПринт, 2016. – 400 с.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Предшествующие исследования Как известно металл способен поглощать водород при достаточно высоких значениях температуры и давления. При этом важно осуществить гидрирование и дегидрирование быстро и в разумных пределах температуры и давления. Скорость поглощения водорода при определенном значении температуры и давления зависит от термодинамических характеристик металла. Меняя размеры металла можно повлиять на его термодинамические характеристики. Первоначально была составлена общая картина относительно экспериментальных данных по параметрам взаимодействия изотопов водорода с ванадием и ванадиевыми сплавами. Как было уже сказано система V-H образует твердый раствор (альфа фазу) при температуре выше 200?C и при более низких температурах - альфа и бета моногидридные фазы. Для дейтерия критической температурой, при которой происходит выделение альфа фазы из области смешанных фаз, является 120?C. Фазовые диаграммы для водорода, дейтерия и трития сильно различаются. В работе [ ] показано, что растворимость водорода в ванадии является обратной функцией температуры. Т.е. ванадий является экзотермическим поглотителем водорода. Два классических источника свойств водорода в материалах – это монографии [ - ]. Их авторы отдают предпочтение значениям диффузии, численно полученным из эффекта Горского, так как экспериментально-полученные измерения не чувствительны к поверхностным эффектам. Взаимодействие газа с металлом для ванадия и ванадиевых сплавов изучалось Сведбергом [ ]. Он особо отметил работы Велескиса [16] по растворимости водорода и работы Гантелли [ ] по диффузии водорода. Подборка данных по проницаемости водорода в материалах была опубликована Стюартом в 1983 году [ ]. В этом отчете авторы отмечали, что поверхностная рекомбинация является контроллирующим процессом для ре-эмиссии водорода из ванадия. Более поздние данные по диффузии водорода в металлах приведены в работе Алефельда [17,18] со ссылкой на статью Фукаи [ ]. По транспортировке водорода в ванадии эти авторы рекомендуют данные Куи [ ], для температур < 200?C и Лоттнера [ ] для температур выше 200?C.