Введение к работе
Актуальность работы.
Взаимодействие атомов, и молекул водорода с металлами представляет особый интерес для фундаментальной физико-химии, газодинамики, физики поверхности, поскольку это взаимодействие твердого тела с простейшими атомными частицами и любые представления и модели, относящиеся к данным областям должны быть апробированы прежде всего на этом простейшем объекте. В этом контексте специальный интерес представляет изучение взаимодействия водородных частиц с таким практически важным, но и относительно более сложным объектом как "реальная", (т.е. покрытая неметаллическими примесями) поверхность металла.
Практический шггерес к исследованию взаимодействия водорода с металлами связан с задачами управляемого термоядерного синтеза, водородной энергетики, химических технологий, вакуумной техники и др.
Исследования последних десятилетий показали, что поверхностные процессы могут играть решающую роль в накоплении и пропускании водорода металлами. Именно поверхностные процессы отвечают за ряд крупномасштабных явлепий при взаимодействии металлов с водородом, в неравновесных условиях, когда распределение по состояниям газа сдвинуто в сторону более высоких температур по сравнению с температурой металла. Это, например, такие эффекты как возрастание на порядки величины стационарного газосодержания в металлах и скорости проникновения водорода через мембрану при пассивации ее входной поверхности неметаллическими примесями. Другим эффектом такого рода является сверхпроницаемость, когда мембрана обычной толщины пропускает газ независимо от ее температуры и со скоростью, сравнимой с той, с которой газ пропускает отверстие той же площади.
Эти явления могут приводить к таким неблагоприятным последствиям, как деградация механических свойств конструкционных материалов при их взаимодействии с энергетическими водородными частицами (атомарным водородом, плазмой и т. п.) или катастрофические утечки радиоактивного и дорогостоящего трития сквозь первую стенку реакторов управляемого термоядерного синтеза (УТС). С другой стороны, явление сверхпроницаемости может быть использовано для создания мембранных средств откачки изотопов водорода и выделения их из газовых смесей. Таким образом, исследование эффектов поверхности в пропускании и накоплении водорода металлами в неравновесных
4 условиях весьма важно как в фундаментальном, так и в практическом аспектах.
Цель работы.
-
экспериментальное исследование пропускания и накопления водорода металлами V-a подгруппы при их взаимодействии с атомарным водородом;
-
исследование пограничных процессов в системе водород - металлы V-a подгруппы и влияние неметаллических примесей на эти процессы;
-
рассмотрение задачи о предельной плотности проникающего потока в режиме сверхпроницаемости и экспериментальное продвижение в направление высоких плотностей проникающего потока;
-
исследование атомизации на накаленной поверхности металлов V-a подгруппы и роли неметаллических примесей в кинетике этого процесса;
-
рассмотрение возможности применения сверхпроницаемых мембран из металлов V-a подгруппы для откачки и выделения изотопов водорода в системах управляемого термоядерного синтеза.
Научная новизна.
В эксперименте по проникновению теплового атомарного водорода сквозь ниобиевую мембрану достигнуты рекордные плотности проникающего потока в режиме сверхпроницаемости и показано, что эта плотность может быть выше еще на несколько порядков величины.
Продемонстрирована высокая способность монослоя неметаллической примеси, отвечающей за сверхпроницаемость ниобиевой мембраны, к самопод-держанню (например, в среде химически активных газов и паров металла).
Развита мембранная методика исследования кинетики пограничных процессов в системах атомарный водород-металл. С помощью этой методики сделаны оценки вероятности рекомбинации атомов водорода на "реальной" (т.е. покрытой монослоем неметаллической примеси) поверхности без их предварительного растворения в решетке металла и вероятности растворения атомов и молекул в решетке.
Впервые исследована кинетика атомизации молекул водорода на накаленной поверхности Nb и Та, а также влияние неметаллических примесей на эту кинетику.
Количественно изучено влияние неметаллических примесей (О, С) на кинетику поглощения и выделения молекулярного водорода танталом.
Практическая значимость. На основании результатов экспериментального исследования проникновения атомарного и молекулярного водорода сквозь ниобиевую мембрану предложена и реализована схема мембранного насоса для откачки и выделения из газовьи
5 смесей изотопов водорода. Проведенные модельные эксперименты продемонстрировали высокую эффективность откачки, выделения из смеси с гелием и компрессии водорода с помощью сверхпроницаемой мембраны.
Были сделаны оценки мембрашюй системы для проектируемого в настоящее время реактора управляемого термоядерного синтеза ИТЕР, которые показали, что использование сверхпроницаемых мембран и атомизаторов из металлов V-a подгруппы позволяет осуществить эффективное разделение дейтерий-тритиевой смеси и гелия при размерах мембранной системы, которые легко вписываются в концептуальный проект ИТЕР.
Результаты экспериментального исследования влияния неметаллических примесей на диссоциацию молекул водорода на нагретой поверхности тантала позволяют формулировать требования к вакуумным условиям в устройствах, где будет применяться система мембранной откачки водорода с использованием атомизатора для создания неравновесных частиц.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты экспериментальных исследований проникновения атомарного водорода сквозь ниобиевую мембрану.
-
Результаты теоретических оценок величины предельной плотности потока водорода, проникающего сквозь мембрану из металлов V-a подгруппы в режиме сверхпроницаемости.
-
Результаты экспериментального исследования влияния неметаллических примесей на процессы выделения, поглощения и атомизации молекулярного водорода танталом.
-
Устройство, демонстрирующее возможность эффективной откачки водорода и его выделения из смеси с гелием на основе явления сверхпроницаемости.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и были одобрены на всесоюзной конференции 'Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов" (Ленинград, 1990), на XI конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1993), на XVII симпозиуме по ядерным технологиям (SOFT17) (Рим, Италия, 1992), на I (Токио, 1992), П (С.-Петербург, 1993) и IV (Обнинск, 1995) совместных семинарах стран СНГ и Японии по взаимодействию водородных частиц с материалами термоядерных реакторов, на X (Монтерей, 1992) и XI (Мито, 1994) конференциях по взаимодействию плазмы с поверхностью (PSI).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи основных разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 182 стр. текста, включающего список литературы из 108 наименований на 11 стр., 3 таблицы, 38 рисунков.