Введение к работе
Актуальность проблемы. Интерес к изучению гидридов металлов и интерметаллических соединений (ИМС), особенно возросший в последние десятилетия, связан с расширением области их применения в современной атомной энергетике, и в особенности - с перспективами их использования в будущем. В частности, с использованием гидридобразующих металлов и ИМС в качестве рабочих веществ могут быть успешно решены многие проблемы, связанные с разделением изотопов водорода, возникающие на предприятиях ядерно-топливного цикла. Примерами могут служить улавливание, очистка и хранение тяжелых изотопов водорода в тритиевых системах термоядерного реактора, извлечение и локализация трития в системе тяжеловодного атомного реактора. Одним из основных преимуществ использования гидридов в этих целях является то, что рабочие вещества системы не подвержены радиолизу под действием излучения трития. Способность гидридобразующих металлов и ИМС с высокой скоростью поглощать большие количества водорода, значительные коэффициенты разделения и высокая скорость межфазного водородного изотопного обмена также позволяют считать их перспективными для осуществления процессов разделения.
К настоящему моменту достаточно большое число гидридных систем было исследовано с этой точки зрения. Что касается теоретической стороны вопроса, то, с одной стороны, накопленный экспериментальный материал, относящийся к фазовому н изотопному равновесию, часто (хотя и не всегда) удается интерпретировать в рамках уже существующих простых представлений о поведении атомов водорода в металлических матрицах. С другой - удовлетворительного решения обратной задачи, связанной с прогнозированием равновесных изотопных эффектов, не найдено до сих пор. Между тем актуальность проблемы предопределена, во многом, способностью ИМС изменять свои свойства в широком диапазоне при введении относительно небольших количеств добавок других металлов или при изменении соотношения между образующими данное соединение компонентами. Развитие и совершенствование теории позволило бы, используя данные о составе и структуре твердой гпдридной фазы, определять равновесные изотопные эффекты в еще не изученных системах, планировать экспериментальные работы и намечать перспективы дальнейших исследований.
Таким образом, целью работы явилось создание теоретической модели, способной адекватно описывать термодинамические изотопные эффекты водорода в гидрпдных системах, использующей информацию о структуре металлических сорбентов водорода в качестве исходных данных.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
Для расчета уровней колебательной энергии атомов водорода в гидридной фазе предложена модель, использующая принцип суперпозиции потенциалов взаимодействия металл - водород. Путем сравнения результатов проведенных расчетов с имеющимися экспериментальными данными по изотопному равновесию в системах с различными ИМС продемонстрирована адекватность модели.
С использованием представлений о водороде в металлах как о неидеальном решеточном газе получена зависимость величины коэффициента разделения от концентрации водорода в твердой фазе. Теория неидеального решеточного газа модифицирована для описания фазового и изотопного равновесия в тех гидридных системах, где имеет место заполнение водородом различных междоузлий кристаллической решетки. Продемонстрировано влияние многопозиционного заполнения на зависимость коэффициента разделения от содержания изотопов в их бинарной смеси.
Разработан подход к решению задачи расчета коэффициента разделения для систем, в которых проявляются эффекты энгармонизма колебаний атомов водорода и Н-Н-взаимодействия. Предложены уравнения, описывающие температурную зависимость коэффициента разделения с учетом данных эффектов.
Практическая значимость результатов работы. Разработанная модель суперпозиции потенциалов взаимодействия металл - водород позволяет с точностью, достаточной для практического использования, прогнозировать термодинамические изотопные эффекты для широкого спектра гидридных систем, включая гидриды упорядоченных и неупорядоченных сплавов, сверхстехиометрических интерметаллических соединений и т. д.
Показано, что на изотопный эффект в гидридных системах влияет концентрация водорода в твердой фазе; разработан подход, позволяющий рассчитывать коэффициенты разделения с учетом данного фактора.
Предложен метод расчета зависимости коэффициента разделения от содержания изотопов в смеси для случая заполнения водородом энергетически неэквивалентных междоузлий твердой фазы, что имеет большое значение для решения задач концентрирования трития, когда концентрационная зависимость в значительной мере определяет параметры разделительной установки.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии» (Москва, 1999 г.), на XXXV Всероссийской научной конференции по проблемам физики, химии, математики, информатики и методики преподавания (Москва, 1999 г.), на 4-й Всероссийской (международной) конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул'" (Звенигород, 1999 г.) и на Международной конференции по стабильным изотопам и изотопным эффектам 1999
года (International Conference on Stable Isotopes and Isotope Effects, Carry le Rouet, France, 1999).
Публикации работы. По материалам диссертационной работы опубликованы тезисы докладов на конференциях и 4 статьи.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы — 171 страница, включая 43 рисунка, 14 таблиц и библиографию из 150 наименований.
