氚在不銹鋼中的滲透特性

何長水

摘 要：通過建立316L不銹鋼在液相水中的氚滲透實驗裝置和蝕刻溶解法氚深度分布測量裝置，開展260℃-320℃高溫下氚在316L不銹鋼中的滲透特性實驗，獲得了氚在316L基體中的擴散系數及其表面的水-氚同位素交換效應特性參數。

關鍵詞：不銹鋼；氚滲透；氫同位素交換效應

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

1 前言

不銹鋼作為一種重要的結構材料，在眾多領域得到廣泛的應用。例如在核領域的聚變堆氘氚燃料循環系統中，不銹鋼可用作氫同位素氣體的輸運管道及包容結構材料。氫同位素氣體在不銹鋼材料基體中具有較大的溶解度，造成不銹鋼氫脆的安全問題。此外，作為放射性氫同位素氣體的氚，通過不銹鋼基體滲透到外界會造成環境污染的安全問題。對于氫在不銹鋼中的擴散滲透行為，國內外已有大量的研究，但氫的同位素氚作為放射性氣體，其在材料中的擴散滲透行為研究相對較少。

2 實驗研究方法

2.1 實驗原理

采用氫的放射性同位素氚進行滲透實驗研究，其優點是氚的滲透量與速率易測量[1]。假定不銹鋼材料上游為氣態氚，下游為液相水。當不銹鋼材料與外界的液相水接觸時，氚的滲透行為可表現為三個過程：①氣相氚在上游表面的吸附；②氚原子在材料基體中的擴散；③氚在下游表面與水的氫同位素交換。通過測量滲透下游近表面層水中的氚活度濃度變化速率J、以及下游表面氚原子濃度C，根據公式J=kexC2，即可得到水氚同位素交換速率常數kex，由kex=k0exp（-Eex/RT）得到氫同位素交換反應激活能Eex。

（1）水中的氚溶出速率J測量方法[2]：按一定的時間間隔對滲透下游的水進行取樣，液閃測量水樣的氚活度濃度，計算累積氚滲透量Q，由dQ/dt得出氚溶出速率J。

（2）樣品表面氚濃度C測量方法[3]：滲透結束后盡快將樣品取出，在化學蝕刻液中逐層蝕刻，由蝕刻時間控制每層的蝕刻深度Di，由臺階儀測量蝕刻深度。每一層蝕刻的溶液再用液閃儀測量其氚活度濃度，計算每層中的氚原子濃度Ci。由Di—Ci變化曲線，推算得到樣品表面的氚原子濃度C0。

2.2 實驗樣品

實驗樣品為核領域常見的316L不銹鋼，尺寸為Φ23×2mm，樣品有效滲透面積約為3.14cm2，表面采用機械拋光的方式去掉其表面的天然氧化膜。

2.3 主要測量設備

采用液體閃爍計數儀測量滲透水樣及溶解水樣的氚活度，儀器型號為HIDEX 300SL型，編號2140403。該儀器測量下限約為1Bq，測量上限105Bq。

3 實驗結果與分析

在1.0Pa氚分壓320℃時，24小時之內即達到穩態氚滲透，隨著實驗溫度降低，達到穩態氚滲透的時間延長。典型的316L不銹鋼的氚滲透量隨時間變化如圖1所示。

基體內氚濃度隨蝕刻深度變化如圖2所示。氚滲透速率達到穩態后，316L不銹鋼基體內的氚濃度沒有明顯的分布梯度，基本呈均勻分布。各溫度滲透樣品的平均氚濃度C列于表1，按公式J=kexC2計算的水-氚同位素交換系數kex也列于表1。

根據表1數據，作水-氚同位素交換系數與溫度倒數的關系曲線，符合Arrhenius關系，擬合得316L不銹鋼表面水-氚同位素交換系數的溫度影響表達式：。

根據固體薄膜材料厚度L、氚通過該材料擴散從非穩態到穩態的延遲時間τ，可求得氚的在材料中的擴散系數D：。本實驗中281℃的氚滲透曲線對應的延遲時間為18小時，結合樣品厚度2mm，求得281℃時氚在316L不銹鋼中的擴散系數為10.2E-12 m2/s，這與文獻值277℃氚在316L不銹鋼中的擴散系數為8.35E-12 m2/s基本一致[4]。

4 結論

（1）通過本論文的研究，掌握了不銹鋼材料氚滲透速率及其基體內氚深度分布的測量方法。

（2）通過測量氚滲透速率及滲透下游表面的氚濃度，獲得了氚在316L基體中的擴散系數，獲得了316L不銹鋼表面的水-氚同位素交換效應參數。

參考文獻：

[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]陳長安，武勝，倪然夫等.氚在不銹鋼中的體擴散行為[J].核化學與放射化學，2000，Vol.22，No.3：144-149.

[4]山常起、呂延曉.氚及防氚滲透涂層材料[M].北京：原子能出版社，2002：254-255.endprint