проницаемость водорода через мембраны с трещинами в

XXXII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 14 – 18 февраля 2005 г.
ПРОНИЦАЕМОСТЬ ВОДОРОДА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ С ТРЕЩИНАМИ В
ЗАЩИТНОМ СЛОЕ.
А.А. Писарев, И.В. Цветков, С.С. Ярко
Московский инженерно-физический институт, Москва, Россия,
e-mail: pisarev@plasma.mephi.ru
J/Jbare
В проекте водо-охлаждаемого свинцово-литиевого бланкета для снижения потерь трития
предполагается наличие барьеров для проницаемости на поверхности бланкета и
охлаждаемых труб. Барьером может служить слой вещества, в котором затруднена диффузия
водорода. Покрытие должно удерживаться на поверхности конструкционных материалов и
сохранять целостность в условиях тепловых нагрузок (T ~ 450 K). Наиболее перспективным
решением считаются покрытия, обогащенные алюминием, на поверхности которых
образуется Al2O3, но на данный момент существующие технологии нанесения покрытия:
химическое осаждение из газовой фазы и погружение в расплав не дали ожидаемых
результатов [1]. Эффективность получаемых барьеров низка, нарушение целостности слоя
приводило к тому, что энергии активации проницаемости через образцы с покрытием были
близки к энергии активации через непокрытые (контрольные) образцы.
Целью данной работы является расчетное исследование проницаемости водорода через
мембраны с поврежденным защитным слоем. Предположим, что на входной поверхности
мембраны имеется защитный слой, покрытый сетью сквозных трещин, через которые
молекулярный водород проникает на поверхность мембраны, растворяется и диффундирует к
выходной стороне. Диффузия в защитном слое пренебрежимо мала. Назовем степенью
растрескивания отношение площади трещин к площади поверхности мембраны - Scrack/S,
площадь трещин определяется толщиной трещин и суммарной длиной. Для численного
расчета будем считать, что сеть трещин образует гексагональную структуру в плоскости
поверхности. Решение задачи диффузии в трехмерной области с граничными условиями на
входной поверхности, соответствующими растворению водорода в местах, где трещины
подходят к поверхности мембраны (ребра шестиугольников) позволяет получить оценку
проницаемости через мембрану с поврежденным защитным слоем. На рис. 1 представлена
зависимость эффективности такого
4
слоя в качестве барьера для проницаw1=w2=10
1.0
3
емости (т.е. отношение проникающих
w1=w2=10
2
потоков через мембрану с защитным
w1=w2=10
0.8
покрытием – J и через мембрану без
1
w1=w2=10
0.6
покрытия – Jbare) в зависимости от сте0
w1=w2=10
пени растрескивания для различных
-1
0.4
w1=w2=10
режимов проницаемости, которые
-2
w1=w2=10
0.2
определяются транспортными парамет-3
w1=w2=10
рами w1,2=K1,2Sp½L/D [2]. В частности,
0.0
видно, что для материалов, в которых
1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1
1
проникновение
лимитируется
Scrack/S
диффузией (w1=w2>>1), эффективность
Рис. 1. Эффективность защитного слоя в
барьера практически сводится к нулю
зависимости от степени растрескивания.
при Scrack/S > 10-3.
Литература.
[1]. A. Aiello, A. Ciampichetti, G. Benamati, J. Nucl. Mater. 329-333 (2004) 1398-1402.
[2]. A.Pisarev, A. Bacherov, Physica Scripta, 2004, Vol. T108, p.124.
1