Показать метаданные Скрыть метаданные

(19)

(11)

2 822 113

(13)

(51)

МПК

G21F1/08(2006-01-01)

(21) (22)

Заявка

2023118671, 2021-11-30

(24)

Дата начала отсчета патента

2021-11-30

(22)

дата подачи заявки

2021-11-30

(45)

опубликовано

2024-07-01

(72)

авторы

Дэвис, ТомасМиддлбург, Саймон

(73)

патентообладатели

Токемек Энерджи Лтд

(56)

Документы, цитированные в отчете о поиске

CN 108295384 B, 28.02.2020CN 109985316 A, 09.07.2019US 5844241 A1, 01.12.1998CN 103955567 B, 08.02.2017CN 110310720 A, 08.10.2019CN 110310743 A, 08.10.2019CN 109011221 A, 18.12.2018US 20020106054 A1, 08.08.2002US 20130253255 A1, 26.09.2013

О КОНСТРУКЦИИ КОМПОЗИТА ГИДРИД-МЕТАЛЛ ДЛЯ ПРИСПОСАБЛИВАНИЯ К РАЗЛОЖЕНИЮ ГИДРИДА Российский патент 2024 года по МПК G21F1/08

Описание патента на изобретение RU2822113C1

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к материалу нейтронной защиты (здесь - "нейтронной защите"), содержащему металлогидридно-металлический композит, включающий металлическую матрицу. Металлическая матрица способна функционировать, растворяя водород, высвободившийся из гидрида металла во время растворения.

Предпосылки изобретения

Традиционно присутствие водорода в металлических сплавах, используемых, например, в качестве нейтронной защиты, вызывает проблему. Причина состоит в том, что, более часто чем нет, водород является растворимым в металлах и способен образовывать металлогидридные фазы. В той или иной форме, водород ведет к охрупчиванию сплава, что вредно для механических характеристик. Эффект охрупчивания от гидридных выделений вызывает особое беспокойство вследствие того, что их образование часто сочетается с изменением объема, которое, в свою очередь, может вести к микроскопическим или макроскопическим разломам сплава или превращению его в порошок. По этой причине обычно избегают образования и присутствия гидридов в металлических сплавах. Однако, при обработке расплава или в результате работы компонента присутствие или проникновение водорода может быть неизбежным.

US6192098B1 раскрывает гидридостойкий стержень с ядерным топливом (твэл), препятствующий образованию гидридов во внутренней части стержня с помощью градиентного профиля кислорода.

US4659545A раскрывает топливный стержень на циркониевой основе с размещенной на его поверхности тонкой пленкой никеля. Никель обеспечивает множественные места для переноса гидрида изнутри топливного стержня, таким образом предотвращая образование водородных пузырей.

В рабочей среде сплав может подвергаться неустановившемуся нагреву. Выше критической температуры гидриды металлов растворяются или распадаются. При нахождении в растворе обычной проблемой является то, что водород, являющийся наименьшим элементом, часто легко диффундирует в металлах, и процесс растворения может быть быстрым. Если поток водорода достаточно велик, то растворение может приводить к образованию газообразного водорода и/или повторному выделению гидридов. Например, в более холодных областях материала. В некоторых сценариях, газообразный водород может даже высвобождаться из сплава или образовывать пузыри. Газообразный водород является очень взрывоопасным. Поэтому высвобождение водорода из сплавов во время этих событий неустановившегося нагрева представляет неприемлемую угрозу безопасности. Газообразный водород может также реагировать с другими материалами в системе, такими как конструктивные элементы, и приводить к образованию гидридов металлов, которые ухудшают структуру.

В ядерной установке водород является хорошим нейтронозамедляющим материалом, и снижение замедления будет приводить к снижению защиты компонентов (если используется в качестве компонента нейтронной защиты) или приводить к снижению в реактивности ядерного реактора (если используется в качестве замедлителя топлива). Гидриды металлов могут представлять компактные замедляющие материалы для космических ядерных реакторов, ядерных микрореакторов или ядерных реакторов морского базирования.

Следовательно, существует потребность в конструкции сплава, который приспособлен для сдерживания высвобождения водорода.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является предоставление новой и полезной нейтронной защиты, содержащей металлогидридно-металлический композит.

В общих чертах, первый аспект изобретения предлагает материал нейтронной защиты (здесь - нейтронную защиту), содержащий металлогидридно-металлический композит. Металлогидридно-металлический композит содержит металлическую матрицу и множество частиц гидрида металла, диспергированных в металлической матрице. В случае неустановившегося нагрева (переходного процесса нагрева), частицы гидрида металла могут разлагаться и высвобождать водород. Металлическая матрица действует в качестве резервуара для хранения высвободившегося водорода. По мере того, как гидрид металла разлагается, металл, который образовывал гидрид, остается на своем месте. Эти остаточные "островки" металла также хранят высвободившийся водород. Объемная доля металлической матрицы в композите, который составляет нейтронную защиту, проектируется достаточно высокой, так что высвободившийся во время разложения водород растворяется без высвобождения газообразного водорода. То есть, объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите является не большей, чем отношение предела растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и молярной доли водорода в гидриде металла. Поэтому нейтронная защита способна функционировать, растворяя водород, высвободившийся во время событий растворения.

Объемная доля частиц гидрида металла в композите и дисперсия гидридов является большей, чем следовые количества гидридов, встречающиеся в обыкновенных сплавах, которые могут получаться в результате проникновения водорода во время изготовления. Например, доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите может составлять по меньшей мере 1 мол.%.

В некоторых примерах водород может уже быть растворен в твердом растворе в матрице до того, как разлагаются частицы гидрида металла. Тогда металлическая матрица является «более мелким» резервуаром, поскольку растворимость в твердом состоянии задает «глубину» или молярное количества водорода, который может быть растворен в матрице при данной температуре. Соответственно, чтобы избежать выделения водорода, объемная доля матрицы, входящей в состав композита, может быть сделана большей. То есть, объемная доля гидрида металла может быть сделана не большей, чем отношение: разности между пределом растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице; и разности между молярной концентрацией водорода в частице гидрида металла и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице.

Для функционирования в качестве особенно эффективной нейтронной защиты объемная доля гидрида металла в металлическом композите, который является тем компонентом, который замедляет нейтроны, может быть больше 5%.

В нейтронной защите металлическая составляющая в частицах гидрида металла и металлической матрице может быть одинаковой или разной. Например, металл в частицах гидрида и металлической матрице может быть цирконием. В другом примере металл в частицах гидрида может быть цирконием, а металл в матрице может быть титаном.

Если металлическая составляющая в частице гидрида металла и металлической матрице различна, то предел растворимости в твердом состоянии у каждого из них может тоже различаться. Например, металлическая составляющая в гидриде металла может иметь очень низкую растворимость водорода по сравнению с металлической составляющей в металлической матрице в твердом состоянии. Тогда водород может быть в основном растворен металлической матрицей, а не остаточными "островками" металла, оставшимися после композиции гидрида металла. В этих случаях размер резервуара водорода сокращается, поскольку он ограничен металлической матрицей. Иначе говоря, объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите может быть не выше, чем отношение предела растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и молярной доли водорода в гидриде металла, уменьшенной на коэффициент, равный объемной доле металлической матрицы.

Кроме того, металлическая матрица может уже содержать водород и, как описано выше, это, фактически, делает резервуар водорода более мелким. Поэтому водород, высвободившийся во время разложения гидридов металлов, может быть ограничен металлической матрицей (поскольку "островки" металла не проявляют заметную растворимость водорода), которая, в свою очередь, может быть менее способной растворять больше водорода. Чтобы предотвратить выделение водорода, объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите может быть не выше, чем отношение: разности между пределом растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице, уменьшенной на коэффициент умножения, равный объемной доле металла матрицы; и разности между молярной концентрацией водорода в частице гидрида металла и средней молярной концентрацией в металлической матрице.

Металлическая составляющая в гидриде металла и металлической матрице может также быть сплавом. Например, гидрид металла содержит циркониевый сплав, а металлическая матрица содержит титановый сплав.

В конкретном примере металлическая составляющая в гидриде металла может быть цирконием, а металлическая составляющая в металлической матрице может быть титаном. Поэтому гидрид металла может быть гидридом циркония со стехиометрией ZrH_x, где x составляет между 1 и 4 включительно, более предпочтительно между 1 и 2 включительно.

Частицы гидрида металла могут содержать более одного разного типа частиц гидрида металла. Например, каждая из частиц гидрида металла содержит разную металлическую составляющую. Аналогично, металлическая матрица может также содержать более одной металлической составляющей.

В конкретных примерах металл в частицах гидрида металла может быть любым из или смесью: циркония, гафния, иттрия, ниобия, бора, ванадия, молибдена, тантала, вольфрама и/или хрома.

В конкретных примерах металл в металлической матрице может быть любым из или смесью: железа, ниобия, ванадия, бора, марганца, алюминия, меди, кремния, бора, никеля, гафния, тантала, титана, хрома, молибдена, вольфрама и/или циркония.

Предпочтительно, но не обязательно, минимальная температура разложения и/или растворения гидридов металлов составляет около 573К при давлении 500 МПа.

После события неустановившегося нагрева нейтронной защите может быть предоставлена возможность охладиться до нормальных рабочих температур. При этих температурах нейтронная защита может действовать, обратимо образуя частицы гидрида металла, которые разложились. Изменение объема при повторном образовании частиц гидрида металла может вызывать формирование внутреннего механического напряжения в компоненте. Следовательно, металлические составляющие в композите могут быть выбраны продуманно, чтобы гарантировать, что относительное изменение объема во время растворения и/или образования гидридов составляет менее 10%.

Второй аспект изобретения предлагает термоядерный реактор, который содержит описанный выше материал нейтронной защиты.

Во время работы термоядерного реактора получаются высокоэнергетические нейтроны, которые могут повреждать конструктивные и функциональные компоненты в реакторной установке. Материал нейтронной защиты может быть размещен в качестве нейтронной защиты для защиты таких компонентов. В одном примере нейтронная защита может быть расположена вокруг катушки тороидального поля.

В одном примере термоядерный реактор может быть токамаком и, более конкретно, сферическим токамаком. В сферическом токамаке отношение большого и малого радиусов удерживающей тороидальную плазму области, которое известно как аспектное отношение, может быть меньше или равно 2,5.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения будут теперь описаны лишь ради примера со ссылкой на следующие чертежи, на которых:

Фиг. 1 является схематичной фазовой диаграммой металл-водород.

Фиг. 2 является схематичной иллюстрацией микроструктуры металлогидридного композита.

Фиг. 3 является схематичной иллюстрацией примерного профиля молярной концентрации водорода между соседними выделениями гидрида перед растворением.

Фиг. 4 является схематичной иллюстрацией примерного профиля молярной концентрации водорода между соседними выделениями гидрида после начала растворения.

Фиг. 5 является схематичной иллюстрацией примерного профиля молярной концентрации водорода между соседними выделениями гидрида, полученными с использованием обработки порошка.

Подробное описание вариантов осуществления

Обращаясь сначала к фигуре 1, там показан богатый металлом конец фазовой диаграммы для условной системы металл-водород. В целом, фазовая диаграмма показывает, какая(ие) фаза(ы) возникают или сосуществуют при термодинамическом равновесии для данной температуры и атомной доли водорода при постоянном давлении. На фазовой диаграмме, показанной на фигуре 1, имеются три фазы: α, δ и газообразная фаза, α-фаза является первым металлом, содержащим растворенный водород в твердом растворе. δ-фаза является гидридом металла. Газ является водородом. В тех областях, которые разделяют однофазные области, в равновесии сосуществует смесь этих фаз. На показанной фазовой диаграмме все фазы являются твердыми. В общем, равновесные фазы, показанные на фазовой диаграмме, зависят от давления, но в твердых телах эта зависимость относительно слабая. Для данной температуры, Т₀, металлическая фаза (α) способна растворяться вплоть до молярной доли Х₀ водорода в твердом растворе. Х₀ - это предел растворимости водорода в металле в твердом состоянии при этой температуре. Ниже предела растворимости в твердом состоянии ионы водорода занимают междоузлия в решетке металла-растворителя. Выше предела растворимости в твердом состоянии решетка металла-растворителя становится перенасыщенной водородом, и становится термодинамически более выгодным образовать фазу гидрида металла (δ) с составом Х_p.Молярная доля каждой из этих фаз определяется по "правилу рычага", как известно квалифицированному читателю. При более высоких концентрациях водорода могут формироваться постепенно все более богатые водородом фазы гидрида металла (для простоты показан только богатый металлом конец с единственной гидридной фазой (δ)). При достаточно высоких долях водорода может стать более энергетически выгодным для водорода образовывать свободный газообразный водород.

Некоторые системы сплавов проявляют кристаллографическое фазовое превращение. Например, металлическая фаза (α) может превращаться в другую фазу (например, β-фазу) с другой кристаллографической структурой. Такое фазовое превращение может также быть связано с соответствующим увеличением или уменьшением растворимости водорода в твердом состоянии. Такое фазовое превращение будет высвобождать или поглощать энергию в зависимости от разновидностей металла. Например, иттрий в системе на основе YH_x проявляет эндотермическую реакцию, подвергаясь такому фазовому переходу.

Фигура 2 показывает схематичную микроструктуру системы сплава 200, содержащей множество металлогидридных выделений 202, диспергированных в металлической матрице 204. Металлическая матрица 204 может быть сплавом. Сплав - это материал, который содержит по меньшей мере два разных составляющих элемента, типично относящийся к смеси металлов. Металлогидридная фаза может содержать единственную фазу гидрида металла или смесь фаз гидридов металлов. Показанная микроструктура представляет структуру металлогидридно-металлического композита. Например, композит является материалом, который содержит по меньшей мере две составляющие (металл и гидрид металла), которые при объединении имеют свойства, отличные от свойств отдельных компонентов. Здесь ссылки на сплавы и композиты можно считать взаимозаменяемыми.

Обращаясь к фигуре 3, там показан примерный профиль молярной концентрации водорода между двумя соседними металлогидридными выделениями 202. На фигуре 3 молярная концентрация водорода (С_p) в гидридных выделениях 202 является равномерной. Более обобщенно, молярная концентрация водорода (С_p) в гидридных выделениях 202 может изменяться (варьироваться). Если гидридное выделение 202 содержит единственную металлогидридную фазу, то изменение молярной концентрации водорода (С_p) в гидридном выделении 202 ограничено диапазоном состава этой фазы. Фигура 1 показывает диапазон состава (или "ширину" фазовой области) металлогидридной фазы (δ). Поэтому атомная доля водорода в металлогидридной фазе (δ) может изменяться между максимальной и минимальной долями, определяемыми диапазоном состава. Гидриды металлов часто являются стехиометрическими, и поэтому диапазон состава типично узок. В любом случае, показанная на фигуре 3 молярная концентрация водорода (С_p) представляет среднюю молярную концентрацию водорода в гидридном выделении 202. Если гидридное выделение 202 содержит множество металлогидридных фаз, то молярная концентрация водорода (С_p) может, в дополнение, варьироваться между разными металлогидридными фазами в таком выделении 202. Как описано выше, молярная концентрация водорода (С_p) в каждой металлогидридной фазе может, в свою очередь, изменяться на величину, ограниченную диапазоном состава этой фазы. В таких случаях показанная на фигуре 3 молярная концентрация водорода (С_p) представляет среднее по частицам выделений значение среднего, по пространственным положениям в пределах данной частицы-выделения, значения молярной концентрации водорода в металлогидридных фазах. Проще говоря, оно является средним значением по всем пространственным положениям, в которых существуют выделения 202, молярной концентрации водорода в металлогидридных фазах.

На фигуре 3 молярная концентрация водорода (С₀) в металлической матрице 204 также является равномерной. Более обобщенно, молярная концентрация в металлической матрице 204 может изменяться (варьироваться). Если металлическая матрица 204 содержит единственную металлическую составляющую, то изменение молярной концентрации водорода (С₀) ограничено растворимостью водорода в металлической матрице в твердом состоянии. В этих случаях показанная на фигуре 3 молярная концентрация водорода (С₀) представляет среднюю концентрацию водорода по пространственным местоположениям в матрице. Если металлическая матрица 204 содержит множество металлических составляющих, то молярная концентрация водорода (С₀) может, в дополнение, варьироваться между областями металлической матрицы, которые содержат разные металлические составляющие. В таких случаях показанная на фигуре 3 молярная концентрация водорода (С₀) представляет среднее по пространственным положениям во всех областях металлической матрицы значение молярной концентрации водорода в этих пространственных положениях. На всем протяжении оставшейся части описания изобретения молярная доля и молярная концентрация будут использоваться взаимозаменяемо при обращении к фазовой диаграмме и профилю концентрации. Как поймет квалифицированный читатель, молярная доля (X_i) и молярная концентрация (C_i) прямо пропорциональны друг с другом, и преобразование между этими двумя величинами является тривиальным.

В примерном окружении система сплава 200 может функционировать при первой температуре (т.е. нормальной рабочей температуре) T₁ с событиями неустановившегося нагрева вплоть до второй температуры Т₂. Обращаясь к фиг. 1 и рассматривая атомную долю водорода, обозначенную как Х₀, при первой температуре T₁ гидридные выделения 202 устойчивы (молярная доля водорода в металлической матрице 204 больше растворимости в твердом состоянии при первой температуре). Однако, во время нагрева температура может повышаться выше критической температуры для этой атомной доли водорода, Т₀. Выше критической температуры гидридным выделениям 202 становится более энергетически выгодно растворяться или распадаться. То есть, гидриды 202 являются метастабильными и растворяются или распадаются, поскольку при более высоких температурах предел растворимости водорода в металлической матрице 204 в твердом состоянии увеличивается и становится больше Х₀. В данном документе распад, растворение или разложение могут использоваться взаимозаменяемо; оба термина относятся к гидриду 202 металла, разделяющемуся на металлическую и водородную составные части. В показанном примере предел растворимости в твердом состоянии при второй температуре равен X_t, и X_t больше Х₀. Иначе говоря, выше критической температуры (Т₀) химический потенциал водорода в твердом растворе металлической матрицы 204 является более низким, чем химический потенциал водорода в гидридном выделении 202. Эта разница между химическим потенциалом водорода в различных областях металлогидридно-металлического композита 200 создает пространственное изменение химического потенциала водорода. Пространственное изменение химического потенциала водорода в микроструктуре, в свою очередь, создает результирующую движущую силу, вызывающую результирующий поток водорода из гидридных выделений 202 в матрицу 204. Этот процесс ведет к растворению металлогидридных выделений 202. Растворение водородсодержащих выделений может регулироваться диффузией.

Как описано выше, пространственная разность химического потенциала водорода в микроструктуре приводит к результирующему потоку водорода из гидридных выделений 202 в матрицу 204. Соответственно, диффузия ведет к уменьшению градиента профиля молярной концентрации водорода со временем. Возможный профиль молярной концентрации, после того как гидридное выделение 202 частично растворилось, показан на фигуре 4. В областях, в которых молярная концентрация больше предела C_t растворимости в твердом состоянии, существует тенденция к повторному выделению гидрида из твердого раствора. В этих областях металлическая матрица 204 перенасыщена водородом. Перенасыщение происходит тогда, когда концентрация растворенного вещества больше предела его растворимости в твердом растворе. В то же время, области матрицы, непосредственно окружающие новые выделения, находятся ниже предела C_t растворимости в твердом состоянии, и, соответственно, существует движущая сила для того, чтобы какой-либо вновь выделившийся гидрид растворялся снова. Поэтому такие условия представляют состояние временного локального равновесия, но не глобального равновесия, когда существует тенденция к динамическому выделению и растворению или распаду гидридных выделений 202. Глобальное равновесие задано фазовой диаграммой, которое, обращаясь к фигуре 1, представляет собой водород, растворенный в твердом растворе в металлической матрице 204.

В итоге, в тех областях, где водород перенасыщается в металлической матрице 204, существует тенденция к непрерывному образованию и растворению гидридов. Такое поведение является проблемой, поскольку выделение гидридов металлов часто связано с изменением общего объема. Повторяющиеся выделение и растворение ведут к охрупчиванию и, возможно, даже созданию микроскопических или макроскопических разломов (трещин) в сплаве или превращению его в порошок. Предпочтительно, поэтому, случайное повторное выделение в металлической матрице 204 должно быть исключено. Вместо этого провоцируется повторное выделение водорода в первоначальных местах 202 выделения гидрида металла. Этого можно добиться, например, посредством изменения состава металлического сплава в гидридном выделении 202 по сравнению с металлическим сплавом в металлической матрице 204, гарантирующего, что они действуют как поглотители водорода при температурах ниже Т₀. В конкретном примере изменение состава металлического сплава может включать использование другой металлической составляющей в металлогидридной выделении 202 по сравнению с металлической матрицей 204.

Температурный интервал для выделения газа в этом композите может быть спроектирован гораздо выше, чем температура, при которой гидрид лишь разлагается. В связи с этим, соотношение матрицы (204) к выделениям (202) может быть специально подобрано так, чтобы гарантировать отсутствие выделения газообразного водорода при ожидаемых отклонениях температуры.

Пренебрегая кинетическими эффектами, повторного выделения и образования газообразного водорода можно избежать, если молярная концентрация водорода в матрице 204 остается ниже предела растворимости в твердом состоянии (X_t) при данной рабочей температуре. Во время растворения гидридного выделения 202 водород, накопленный внутри выделения, распределяется по всему сплаву. В некоторых вариантах осуществления гидридные выделения 202 берутся содержащими тот же металл, что и металлическая матрица 204. Применение сохранения атомов водорода перед и после растворения дает Уравнение 1.1.

Уравнение 1.1: 2rX_p+X₀S=X_f(2r+S);

где r - эффективный радиус гидридного выделения 202, S - внутреннее расстояние между гидридными выделениями, Х_p - начальная молярная концентрация водорода в гидридных выделениях, и X_f - молярная концентрация водорода в твердом растворе после растворения. Левая сторона представляет суммарное количество атомов водорода перед растворением, а правая сторона - суммарное количество атомов водорода после него.

В этих вариантах осуществления металлическая составляющая в гидриде металла предполагается такой же, что и металлическая составляющая в металлической матрице 204, и поэтому растворимость в твердом состоянии берется одинаковой (X_t) в этих областях. Исключение перенасыщения, пренебрегая какими-либо кинетическими эффектами, как указано выше, требует, чтобы молярная концентрация водорода в твердом растворе была меньше растворимости в твердом состоянии. Это дает уравнение 1.2.

X_f<X_t;

Уравнение 1.2: .

Объемная доля гидридного выделения (V_p) и матрицы (V_s) соответственно заданы, в качестве первого приближения, как и , которые для двухфазной микроструктуры, показанной на фигуре 2, в сумме дают единицу. Применение этих соотношений к уравнению 1.2 дает неравенство, обозначенное в Уравнении 1.3.

Уравнение 1.3: ;

Уравнение 1.3 указывает, что, если объемная доля гидридных выделений ниже определенного порогового значения, то перенасыщение водородом в металлической матрице 204 после растворения может быть исключено. Уравнение предполагает, что гидридные выделения 202 диспергируются равномерно по всей металлической матрице 204. Поэтому, не учитывая кинетические эффекты, это уравнение устанавливает максимальную объемную долю гидридных выделений для того, чтобы избежать образования и/или повторного выделения газообразного водорода. В таких случаях, после растворения гидридных выделений 202, металлическая матрица 204 функционирует, растворяя объем водорода, высвободившегося в твердый раствор металлической матрицы 204.

Необязательно, все параметры Уравнений 1.1-1.3 могут быть измерены при температуре 1273К и давлении 500 МПа. Объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите (т.е. сочетании металлической матрицы и гидридных выделений), усредненная по всем положениям в металлическом композите, предпочтительно составляет по меньшей мере 1% при этих температуре и давлении. Объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите является не большей, чем V_p в уравнении 1.3, что вызовет выделение газообразного водорода при Т₀, а не вхождение водорода в твердый раствор в пределах матрицы 204. Молярная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите может составлять по меньшей мере 1 мол.%.

Максимальная объемная доля гидридных выделений зависит от:

• разницы между растворимостью X_t водорода в матрице 204 в твердом состоянии во время события неустановившегося нагрева и начальной молярной концентрацией Х₀ водорода в матрице 204;

• разницы между начальной молярной концентрацией Х₀ водорода в матрице 204 и начальной молярной концентрацией X_p водорода в гидридных выделениях 202; и

• относительного размера этих разниц.

Растворимость, при данной рабочей температуре, водорода в матрице 204 в твердом состоянии определяется в значительной степени химическим и физическим взаимодействием между металлом в металлической матрице и водородом. Она устанавливается по физическим законам и задается фазовой диаграммой. Для любой данной системы сплава фазовая диаграмма, а значит, и растворимость в твердом состоянии, начальная молярная концентрация (Х₀) и молярная концентрация водорода в гидридных выделениях (X_p) могут быть рассчитаны для данной температуры и давления с помощью пакетов программного обеспечения, таких как CALPHAD (компьютерное связывание фазовых диаграмм и термохимии). Во многих случаях термофизические или термохимические эксперименты не являются обязательными для расчета фазовой диаграммы, поскольку термодинамические величины (например, энтальпия смешивания, энергии образования, кристаллические структуры), используемые в качестве входных данных для модели CALPHAD, известны при стандартных условиях давления и температуры и хранятся в базе данных CALPHAD. Растворимость в твердом состоянии для данной температуры может быть изменена посредством замены на другую систему сплава, но в противном случае является в значительной степени неконтролируемой. С другой стороны, начальная молярная концентрация в матрице 204 может быть изменена посредством обработки сплава. Поскольку образующиеся гидридные выделения 202 находятся в термодинамическом равновесии с металлической матрицей 204 композита, молярная концентрация гидридных выделений может соответственно варьироваться. Однако, в зависимости от стехиометрии гидрида металла, это изменение может быть довольно малым. Обращаясь снова к фигуре 1, диапазон состава δ-фазы является узким.

В некоторых вариантах осуществления сплав может быть получен с использованием традиционных процессов термической обработки. Например, в традиционной системе дисперсионно-твердеющего сплава начальную молярную концентрацию водорода в металлической матрице 204 можно регулировать соответствующей термообработкой. В некоторых вариантах осуществления сплав подвергается термообработке в содержащей водород атмосфере. Присутствующий в такой атмосфере водород диссоциирует на поверхности металла и затем диффундирует в виде атомарного водорода внутрь сплава. Температура этой термообработки задает растворимость водорода в металлической матрице 204 в твердом состоянии. Типично, эта первоначальная термообработка называется термообработкой "на твердый раствор". Термообработка ограничена по продолжительности, чтобы избежать перенасыщения водородом и формирования гидридов. После нее металлическая матрица 204 может содержать приблизительно постоянную молярную концентрацию водорода, на уровне ниже уровня растворимости в твердом состоянии при температуре термообработки и ниже уровня молярной концентрации водорода в выделениях 202. Контроль молярной концентрации в сплаве может регулироваться посредством соответствующего регулирования парциального давления водорода в содержащей водород атмосфере и расхода газа, как известно квалифицированному читателю. В некоторых случаях сплав может затем быть быстро охлажден, или закален, в ту фазовую область, где энергетически выгодно выделение вторичных фаз. В некоторых случаях сплав охлаждают до более низкой температуры, при которой растворимость водорода в твердом состоянии меньше молярной концентрации водорода в металлической матрице 204. Поэтому происходит перенасыщение водородом и начинается выделение вторичных фаз. Выделение вторичных фаз регулируется зародышеобразованием и ростом. Как известно квалифицированному читателю, плотность зародышеобразования можно регулировать с помощью «затравочных частиц», которые действуют в качестве эффективных мест зародышеобразования. Во время выделения вторичных фаз водород диффундирует из матрицы 204 к растущему гидридному выделению. По сути, в месте, непосредственно окружающем выделившуюся фазу, молярная концентрация водорода является локально обедненной.

В некоторых вариантах осуществления сплав может быть получен другими способами. Такие способы могут быть основаны на порошковой металлургии и включать относящиеся к ней способы аддитивного производства. В технологических процессах порошковой металлургии металл в металлогидридных выделениях 202 и металл в металлической матрице (из сплава) может варьироваться. Каждый из этих металлов может, кроме того, иметь очень ограниченную растворимость друг в друге в твердом состоянии. Альтернативно, композит из сплава может быть изготовлен непосредственно методом гидрирования, который является известным квалифицированному читателю способом.

Подходящие технологии аддитивного производства в соответствии с настоящим раскрытием включают, например, моделирование послойным наплавлением (FDM), селективное лазерное спекание (SLS), 3D-печать, такую как печать посредством сопел и лазерных факелов, прямое селективное лазерное спекание (DSLS), электронно-лучевое спекание (EBS), электронно-лучевое плавление (ЕВМ), метод электроимпульсного спекания (FAST), также известный как искровое плазменное спекание (SPS), технология лазерного спекания распыляемого порошкового материала (LENS), электронно-лучевое аддитивное производство (ЕВАМ), лазерное производство готовых форм (LNSM), непосредственное осаждение металла (DMD), цифровая светодиодная проекция (DLP), непрерывная цифровая светодиодная проекция (CDLP), прямое селективное лазерное плавление (DSLM), селективное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное плавление металлов (DMLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), разбрызгивание материала (МJ), разбрызгивание наночастиц (NPJ) и другие известные процессы.

Фасонный компонент или слиток из композита может быть получен посредством любого сочетания этапов аддитивного производства и порошковой металлургии, раскрытых в данном документе. Композит может быть затем подвергнут термообработке для выделения вторичных фаз из твердого раствора.

В технологических процессах на основе порошковой металлургии сам порошок металла может быть подвергнут воздействию содержащей водород атмосферы с регулируемым расходом газа, аналогично описанному выше. В этом случае гидрид металла может быть полностью получен посредством единственной термообработки. Альтернативно, порошок может быть подвергнут термообработке и закален, чтобы вызывать выделение вторичных фаз. В том или другом процессе металлический порошок преобразуется в гидриды металлов с образованием порошка гидрида металла. Стехиометрию гидрида металла можно также регулировать посредством соответствующего регулирования парциального давления содержащей водород атмосферы, расхода газа и температуры. Порошок гидрида металла может затем быть перемешан с порошком металла и спечен и/или подвергнут холодному/горячему прессованию для получения конечного компонента. После процесса холодного/горячего прессования и/или спекания частицы порошка гидрида металла соответствуют гидридным выделениям 202 в металлической матрице 204. Холодное или горячее прессование может быть изостатическим или одноосевым. Производственный процесс может включать в себя последовательное или одновременное сочетание стадий спекания и прессования. Соответственно, металлическая матрица 204 не используется в качестве "резервуара водорода" для роста выделений, и поэтому между гидридными выделениями 202 может быть только ничтожная молярная концентрация водорода. Фигура 5 показывает схематичную иллюстрацию профиля молярной концентрации водорода между соседними гидридными выделениями, созданного с использованием способов обработки порошка. Возвращаясь к Уравнению 1.3, оно соответствует случаю, когда Х₀ равна нулю или очень близка к нему. Таким образом, это устанавливает верхнюю границу максимальной объемной доли гидридных выделений, растворение которых можно допустить, не приводя к перенасыщению металлической матрицы 204. В технологических процессах порошковой обработки объемная доля гидридных выделений может регулироваться относительно легко, поскольку она коррелирует с объемной долей порошка гидрида металла. Кроме того, можно регулировать размер и пространственное распределение частиц порошка. Размер частиц порошка может быть в диапазоне от 0,1 мкм до 500 мкм.

В некоторых вариантах осуществления металлическая составляющая в гидриде металла отличается от металлической составляющей в металлической матрице 204. В таких вариантах осуществления имеется по меньшей мере две металлические составляющие в сплаве: первая металлическая составляющая в гидриде 202 и вторая металлическая составляющая в металлической матрице 204. Двойная фазовая диаграмма, как показано на фигуре 1, тем самым заменяется тройной фазовой диаграммой. Предпочтительно, первая металлическая составляющая в гидриде 202 и вторая металлическая составляющая в металлической матрице 204 имеют очень ограниченную растворимость друг в друге в твердом состоянии. Это гарантирует, что после того, как происходят описанные выше переходные термические циклы, образуется микроструктура, аналогичная первоначальной микроструктуре перед термическим циклом. Порошковая обработка является одним из способов изготовления микроструктуры, как показано на фигуре 2. Порошок гидрида первого металла может быть сформирован посредством подходящей термообработки порошка первого металла в водородной атмосфере. Частицы порошка гидрида первого металла могут затем быть перемешаны с порошком второго металла и спечены и/или подвергнуты холодному/горячему прессованию с получением микроструктуры сплава, показанной на фиг. 2. Традиционные способы производства с термообработкой могут быть использованы для того, чтобы вызывать выделение вторичных фаз при температурах гораздо больших критической температуры, Т₀, таким образом обеспечивая температурный диапазон, в котором выделения 202 могут оставаться, несмотря на десорбцию их водорода в матрицу 204.

Для трехкомпонентного сплава Уравнение 1.3 может больше не применяться, поскольку растворимость водорода в первом металле и во втором металле в твердом состоянии может различаться. Поэтому, более обобщенно, конечная молярная концентрация в сплаве после растворения X_f заменяется конечной молярной концентрацией в первой металлической составляющей X_f1 и конечной молярной концентрацией во второй металлической составляющей X_f2. Рассмотрим "наихудший сценарий", в котором молярная концентрация водорода после растворения в первой металлической составляющей устанавливается равной нулю, тогда весь высвободившийся водород должен быть принят во второй металлической составляющей в металлической матрице 204. В таком сценарии максимальная допустимая объемная доля гидрида уменьшается, поскольку суммарный объем, в котором может быть растворен водород, уменьшается только до металлической матрицы 204. Максимальная объемная доля уменьшается на коэффициент умножения, равный объемной доле металлической матрицы 204.

Однако использование второй металлической составляющей позволяет иметь некоторую степень контроля над X_t, которая, в свою очередь, может вести к увеличению максимальной допустимой объемной доли гидридных выделений. В термообработанном двойном сплаве растворимость в твердом состоянии не обязательно влияет на максимально допустимую объемную долю гидридных выделений, поскольку гидридные выделения 202 растут из растворенного в металлической матрице 204 вещества, и поэтому большая растворимость в твердом состоянии будет означать, что начальная концентрация в металлической матрице 204 является более высокой. Скорее, главным определяющим фактором является различие в растворимости в твердом состоянии с температурой, как предусмотрено в Уравнении 1.3. Напротив, в системах сплавов, изготовленных по технологическим процессам порошковой обработки (таких как тройные сплавы), гидриды металлов не растут из твердого раствора, и поэтому вторая металлическая составляющая может быть выбрана проявляющей большую растворимость водорода в твердом состоянии. В результате, "резервуар" для приема водорода, высвобождающегося во время растворения, делается "более глубоким".

В конкретном варианте осуществления первая металлическая составляющая может быть цирконием. Гидрид может содержать гидрид циркония, или смесь, относящуюся к нему. Гидрид циркония может быть стехиометрическим и представлен как ZrH_x, где x находится между 1 и 4 включительно, или предпочтительно между 1 и 2 включительно. Вторая металлическая составляющая может содержать титан.

В некоторых вариантах осуществления множество металлогидридных выделений 202 могут содержать один или более типов металлогидридных выделений 202. То есть, подмножество из множества металлогидридных выделений 202 может содержать иную фазу гидрида металла, отличную от остальной части металлогидридных выделений, или, что эквивалентно, соответствующую составляющую иного металла.

Примеры металлических составляющих для гидридов 202 металлов включают: цирконий, гафний, иттрий, ниобий, бор, ванадий, молибден, тантал, вольфрам и хром. Металлическая составляющая в гидридах 202 металла может быть какой-либо одной из перечисленных выше или их смесью.

Предпочтительно, но не обязательно, гидриды металлов являются устойчивыми к растворению вплоть до по меньшей мере 573К при давлении 500 МПа.

В некоторых вариантах осуществления каждое металлогидридное выделение 202 может содержать одну или более металлических составляющих. Каждое металлогидридное выделение 202 может содержать более 5% (по молям) одного или более элементов в эквимолярной пропорции. Например, гидрид металла может содержать смесь любого из: циркония, гафния, иттрия, ниобия, бора, ванадия, молибдена, тантала, вольфрама и хрома.

В некоторых вариантах осуществления металлическая матрица 204 может содержать один или более типов металлической составляющей. То есть, металлическая матрица 204 может содержать смесь нескольких типов металлической составляющей (т.е. она является сплавом) или пространственно разделенных фаз. В таком случае металлическая матрица 204 может быть охарактеризована как области сплава, которые не являются гидридами.

Примеры металлических составляющих для металлической матрицы 204 включают сочетания перечисленных выше плюс: железо, ниобий, никель, гафний, тантал, титан, хром, молибден, вольфрам, алюминий, марганец, медь, кремний, ванадий, бор или цирконий.

Объемная доля металлогидридной фазы в металлогидридно-металлическом композите может быть измерена в соответствии с целым рядом хорошо известных экспериментальных способов. Примерные способы включают электронно-дисперсионную спектроскопию (EDS), волнодисперсионную спектроскопию (WDS), дифракцию рентгеновских лучей, методы масс-спектрометрии и термогравиметрический анализ.

В некоторых вариантах осуществления композит применяется в качестве защитного (экранирующего) компонента для кабелей с высокотемпературным сверхпроводником в катушке тороидального поля термоядерного реактора. В некоторых вариантах осуществления сплав применяется в качестве защитного (экранирующего) компонента для кабелей с низкотемпературным сверхпроводником в катушке полоидального поля термоядерного реактора. Во время реакции ядерного синтеза получаются нейтроны, которые в силу своей нейтральности не задерживаются удерживающим магнитным полем. Эти нейтроны обладают очень большой энергией (в диапазоне МэВ) и сталкиваются с обращенными к плазме компонентами прочного сосуда ядерного синтеза, вызывая повреждение. Это является проблемой, поскольку повреждение может изменять свойства высокотемпературных сверхпроводников со временем, что осложняет их работу.

Композит может также быть применен в качестве замедляющего нейтроны или отражающего нейтроны материала в небольшом термоядерном реакторе в виде компактного, безопасного и твердотельного замедляющего материала. Например, на единицу объема, гидриды металлов больше замедляют нейтроны по сравнению с жидкой водой, таким образом позволяет уменьшить размеры активной зоны реактора.

Композит может также быть включен в состав искусственного спутника или космической транспортной системы, который(ая) требует защиты от солнечного излучения. Солнечное излучение может включать в себя нейтроны, и поэтому такой экран может действовать в качестве нейтронной защиты, как объяснено подробно ниже.

Повреждение, вызванное нейтронами в защищаемых компонентах, будет уменьшено посредством замедления нейтронов, особенно в сочетании с эффективным поглотителем тепловых нейтронов, например, бором или гафнием (либо в самом сплаве в качестве составляющей, либо в сочетании с компонентом композита). Существуют два принципиальных механизма замедления нейтронов: за счет упругого рассеяния и за счет неупругого рассеяния. Упругое рассеяние более эффективно для элементов с малым атомным номером Z, а неупругое рассеяние более эффективно для элементов с большим Z. Поэтому гидриды, которые содержат водород, могут быть эффективными центрами неупругого рассеяния.

В конструкции сплава, показанной на фигуре 2, гидриды диспергированы в металлической матрице 204. Поэтому нейтрон, падающий на этот сплав, будет, в среднем, проходить через серию путей по гидриду металла и металлу. Гидриды, которые содержат водород, при нормальной работе эффективны в замедлении нейтронов до более оптимальных энергий сечения захвата. Поэтому показанная на фигуре 2 микроструктура действует в качестве эффективного замедлителя нейтронов. Такие элементы, как гафний, могут также быть введены в сплав, который проявляет высокое сечение захвата тепловых нейтронов, чтобы дополнительно улучшить свойства нейтронной защиты.

Термоядерный реактор может быть токамаком, предпочтительно - сферическим токамаком. Предпочтительно, но не обязательно, аспектное отношение сферического токамака меньше или равно 2,5. Аспектное отношение является отношением большого и малого радиусов удерживающих тороидальную плазму областей токамака.

В сферическом токамаке те области внутри центральной колонны, которые содержат кабели с высокотемпературными сверхпроводниками, очень ограничены с точки зрения пространства. Предпочтительно, нейтронная защита в этих областях является как можно более эффективной, так что требуется минимальная толщина защиты. Это важно, поскольку гарантирует, что из доступного пространства площадь сечения, приходящегося на сверхпроводник, может быть максимизирована. Увеличение площади сечения сверхпроводников обеспечивает более высокую токонесущую способность и создание большего удерживающего магнитного поля. Поэтому, на практике, удерживающее магнитное поле может задавать минимальную объемную долю гидрида, требуемую для эффективной защиты, учитывая пространство, доступное в центральной колонне. Ниже такого порогового значения замедление нейтронов не было бы достаточным при данной проектной толщине защиты, и высокотемпературные полупроводники могли бы повреждаться. В некоторых вариантах осуществления минимальная объемная доля гидридов, требуемая для эффективной защиты в термоядерном реакторе, составляет 5%. В некоторых вариантах осуществления минимальная доля гидридов, требуемая для эффективной защиты в термоядерном реакторе, больше или равна 5 мол.%.

Вторичным эффектом неупругого рассеяния нейтронного излучения является нагрев. Нагрев может быть значительным, и присутствующие гидриды, которые проявляют относительно низкие температуры растворения, могут претерпевать растворение. Как изложено выше, растворение гидридов может приводить к дальнейшему выделению вторичных фаз и/или высвобождению водорода. Следовательно, существует оптимальный рабочий диапазон по объемной доле гидридных выделений, который устанавливается между: максимально допустимой объемной долей гидридных выделений, при которой их растворение может обеспечено без повторного выделения и/или высвобождения водорода; и минимальной объемной долей гидридных выделений, требуемой для обеспечения эффективного замедления, при данной толщине защиты.

После события неустановившегося нагрева температура может уменьшаться до температур, при которых энергетически выгодно выделение гидрида из твердого раствора. В вариантах осуществления, которые используют гидриды по функциональному назначению, как описано выше, является предпочтительным, чтобы микроструктура после события неустановившегося нагрева практически восстанавливалась. Иными словами, растворение гидрида и последующее его повторное выделение, после охлаждения, является обратимым. Например, это будет гарантировать, что нейтронная защита для высокотемпературного полупроводника осталась эффективной нейтронной защитой во время применения и смягчает проблему безопасности с потенциальным высвобождением водорода в аварийных условиях.

В двойном сплаве, в котором металл в гидриде и металл в матрице 204 одинаковы по составу или химически, циклические нагрев и охлаждения, вероятно, будут необратимыми. Иначе говоря, для восстановления микроструктуры обратимым образом, необходимо, чтобы цикл нагрева и охлаждения во время работы имитировал эффект термообработки во время производства.

Однако в тройном композите, в котором гидрид содержит первую металлическую составляющую, а металлическая матрица 204 содержит вторую, отличающуюся, металлическую составляющую, процесс может быть обратимым. Причина состоит в том, что во время растворения гидридов водород, будучи сравнительно меньшим, чем первый металл, способен диффундировать из первой металлической составляющей, входящей в состав гидрида 202 металла, в твердый раствор во второй металлической составляющей, входящей в состав металлической матрицы 204. С другой стороны, поскольку температура растворения гидридов намного ниже температуры плавления металлов, первая металлическая составляющая гораздо медленнее диффундирует во вторую металлическую составляющую, если она спроектирована надлежащим образом, в результате чего существует очень ограниченная растворимость в твердом состоянии или ограниченный потенциал для образования промежуточных фаз (при условии, что это будет энергетически выгодным). В некоторых вариантах осуществления первая составляющая из металла или сплава может быть несмешивающейся со второй металлической составляющей во избежание любого перемешивания. Первая и вторая составляющие из металлов могут быть сплавами. В любом случае, после того как гидриды растворяются, они оставляют после себя "островки" первой составляющей из металла или сплава, диспергированные в матрице 204, которая, соответственно, имеет повышенную молярную концентрацию водорода в твердом растворе. Выделение гидрида во второй составляющей из металла или сплава может быть сделано невыгодным (за счет продуманного выбора второй составляющей из металла или сплава), тогда зародышеобразование и рост гидридных выделений после охлаждения могут быть ограничены "островками" первой составляющей из металла или сплава. Альтернативно, выделение во второй составляющей из металла или сплава может быть исключено посредством достаточно высокого диапазона растворимости водорода. Таким образом, микроструктура металлогидридно-металлического композита способна обратимо формироваться во время событий циклического нагрева выше и ниже температуры растворения гидридов металлов. Здесь "обратимо" относится к микроструктуре системы сплава 200, возвращающейся практически к своей первоначальной структуре, так что на механические и функциональные свойства системы сплава 200 в значительной степени не влияют растворение и повторное выделение частиц 202 гидрида металла. Соответственно, может возникать и быть использована обратимая усталость, означающая, что изменение механических (например, предела текучести) и функциональных свойств (например, коэффициента замедления) сплава 200 составляет менее 5%, предпочтительнее менее 1%. Сплав на основе металлогидридно-металлического композита гидрида циркония -металлического титана может быть особенно подходящим для этой цели.

Другой источник необратимости может быть привнесен, если растворение и/или выделение связано с изменением объема. По аналогии, точно так же, как вода испаряется при более высокой температуре при более высоком давлении, температура растворения металлогидридных выделений 202 и температура выделения этих металлогидридных выделений 202 изменяются в зависимости от начального внутреннего напряжения непосредственно перед фазовым превращением. Следствием этого является то, что температура растворения и выделения может различаться из-за различий в начальном состоянии внутренних напряжений. Это ведет к своего рода необратимости в цикле нагрева и охлаждения. Дополнительным эффектом внутреннего напряжения является то, что оно может приводить к микроскопическим или макроскопическим трещинам и/или превращению в порошок. Проблема с использованием лишь единственной металлической составляющей (двойного сплава) заключается в том, что реакция образования и растворения гидридов 202 металлов в металлической матрице 204 связана с изменением объема, и это изменение объема нелегко контролировать. Однако, при использовании более чем одной металлической составляющей (тройного сплава), продуманный выбор первой металлической составляющей в гидриде и второй металлической составляющей в металлической матрице 204 может обеспечить возможность согласования объема. Например, если растворение гидрида металла связано с уменьшением объема, то второй металл может соответственно увеличиваться, чтобы свести на нет это уменьшение объема, или наоборот. Следовательно, относительное изменение объема, связанное с растворением и/или образованием гидрида металла, может быть спроектировано меньшим 10%.

Вышеупомянутые разделы предоставили максимально допустимую объемную долю водорода (или гидрида), которая может быть принята в системе сплава без образования и/или выделения водорода во время растворения гидрида. Эти вычисления были основаны только на термодинамических эффектах и не принимали во внимание кинетические эффекты диффузии.

На практике, кинетика диффузии важна, поскольку она определяет, может ли происходить образование водорода вследствие локального «накопления» водорода вокруг растворяющегося гидридного выделения. Возвращаясь к фигуре 4, профиль молярной концентрации водорода в металлической матрице 204 поблизости от растворяющихся гидридов 202 металлов может быть больше предела растворимости в твердом состоянии.

Чтобы избежать локального выделения и/или образования водорода, время, требуемое для диффузии водорода по градиенту его молярной концентрации в металлическую матрицу 204, выбирают меньшим, чем среднее время зародышеобразования гидридных выделений и/или газообразного водорода.

В общем, за данный период времени, атом растворенного вещества проходит расстояние, приблизительно равное , где D - коэффициент диффузии атома растворенного вещества в металлической матрице 204, a t - время перемещения. Коэффициент диффузии увеличивается экспоненциально с увеличением температуры. Соответственно, объем металлической матрицы 204, который приспосабливается к растворению, уменьшается до объема, приблизительно равного площади поверхности гидридного выделения, умноженной на . Поэтому Уравнение 1.3 может представлять верхнюю границу максимально допустимой объемной доли гидридных выделений. Принимая во внимание кинетические эффекты, площадь поверхности гидридного выделения и температура (D увеличивается экспоненциально с температурой) могут определять, происходит ли перенасыщение. Кроме того, форма гидридного выделения может быть важным параметром, поскольку каждая форма может иметь разное отношение площади поверхности к объему. По мере того, как увеличивается отношение площади поверхности к объему, все меньший объем водорода высвобождается и может быть принят сравнительно большим объемом металлической матрицы, непосредственно окружающим растворяющееся выделение. Возможными формами гидридных выделений являются: стержень, игла, сфера или пластинка.

В другом варианте осуществления изобретения металлогидридно-металлический композитный сплав может содержать две или более металлических составляющих, в приблизительно равных молярных долях, из любого из: Sc, Nb, Hf, Та, Ti, Zr, Cr, Mo, Y, Mn, W, Fe, Ni, Al, Cu, Si, V и В. Сплав такого рода называется в данной отрасли высокоэнтропийным сплавом. Высокоэнтропийный сплав может быть объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуры. Одна или более металлических составляющих могут образовывать гидрид металла. Каждый из этих гидридов металлов может иметь одну или более разных стехиометрий гидрида или относиться к их смеси. Кроме того, каждый из гидридов металлов может содержать смесь металлических составляющих, например, смесь циркония, ванадия, хрома и иттрия. Поэтому число фаз в таком высокоэнтропийном сплаве может быть гораздо большим, чем в тройном или двойном сплаве. Две или более металлических составляющих могут также находиться в неравной молярной пропорции. Например, одна из металлических составляющих в композите может иметь молярную долю, близкую к 100%, при этом другие составляющие образуют остальное.

При использовании большего числа фаз гидрида металла температура растворения каждого гидрида металла может перекрываться, создавая диапазон температур растворения. Следовательно, во время данного события неустановившегося нагрева только часть гидридов металлов может распадаться или разлагаться в данный момент времени. Таким образом, объем водорода, хранящегося в гидридах металлов, может высвобождаться поэтапно от растворения фаз гидрида металла с наименьшей температурой растворения до растворения гидрида металла с наивысшей температурой растворения. Поэтому суммарный объем высвободившегося водорода за данный временной интервал уменьшается. Это может быть полезным, поскольку существует соответственно больший период времени для того, чтобы водород продиффундировал в металлической матрице 204, что может предотвратить пересыщение в металлической матрице 204, вызванное кинетическими эффектами.

Как будет ясно квалифицированному читателю, в рамках изобретения возможны многочисленные вариации.

Иллюстрации к изобретению RU 2 822 113 C1

Реферат патента 2024 года О КОНСТРУКЦИИ КОМПОЗИТА ГИДРИД-МЕТАЛЛ ДЛЯ ПРИСПОСАБЛИВАНИЯ К РАЗЛОЖЕНИЮ ГИДРИДА

Изобретение относится к нейтронной защите, содержащей металлогидридно-металлический композит. Металлогидридно-металлический композит содержит: металлическую матрицу и множество частиц гидрида металла, диспергированных в металлической матрице. Причем доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите составляет по меньшей мере 1 мол.%, а объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите является не большей, чем отношение предела растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и молярной доли водорода в гидриде металла. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности нейтронной защиты за счет предотвращения перенасыщения металлической матрицы водородом, вызванного кинетическими эффектами диффузии. 6 н. и 17. з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула изобретения RU 2 822 113 C1

1. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите, причем металлогидридно-металлический композит содержит:

металлическую матрицу и

множество частиц гидрида металла, диспергированных в металлической матрице;

при этом доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите составляет по меньшей мере 1 мол.%, а объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите при температурах ниже температуры растворения частиц гидрида металла является не большей, чем отношение определяемого при 1273 K и 500 МПа предела растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и молярной доли водорода в гидриде металла,

за счет чего, в случае растворения, водород, высвобожденный частицами гидрида металла, растворяется в твердом растворе металлической матрицы.

2. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по п. 1, при этом объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите является не большей, чем отношение:

разности между пределом растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице; и

разности между молярной концентрацией водорода в частице гидрида металла и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице.

3. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите больше или равна 5 мол.%.

4. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом металлическая составляющая во множестве частиц гидрида металла и металлической матрице является одинаковой.

5. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому из пп. 1-3, при этом металлическая составляющая во множестве частиц гидрида металла и металлической матрице является разной.

6. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по п. 5, при этом объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите является не большей, чем отношение предела растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и молярной доли водорода в гидриде металла, уменьшенной на коэффициент умножения, равный объемной доле металла матрицы.

7. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по п. 5, при этом объемная доля гидрида металла в металлогидридно-металлическом композите является не большей, чем отношение:

(i) разности между пределом растворимости водорода в металлической матрице в твердом состоянии и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице,

уменьшенной на коэффициент умножения, равный объемной доле металла матрицы; и

(ii) разности между молярной концентрацией водорода в частице гидрида металла и средней молярной концентрацией водорода в металлической матрице.

8. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по п. 6 или 7, при этом металлическая составляющая в гидриде металла представляет собой цирконий или циркониевый сплав, а металлическая составляющая в металлической матрице представляет собой титан или титановый сплав.

9. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по п. 8, при этом стехиометрия гидрида циркония представляет собой ZrH_x, где x составляет между 1 и 4 включительно, более предпочтительно между 1 и 2 включительно.

10. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом множество частиц гидрида металла содержит множество типов частиц гидрида металла, при этом каждый из множества типов частиц гидрида металла содержит разную металлическую составляющую.

11. Применение металлогидридно-металлического сплава в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом металлическая матрица содержит множество типов металлической составляющей.

12. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом металлическая составляющая во множестве частиц гидрида металла является любым из или смесью: циркония, гафния, иттрия, ниобия, бора, ванадия, молибдена, тантала, вольфрама и/или хрома.

13. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом металлическая составляющая в металлической матрице является любым из или смесью: железа, ниобия, ванадия, бора, марганца, иттрия, меди, кремния, никеля, гафния, тантала, титана, хрома, вольфрама и/или циркония.

14. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом минимальная температура растворения множества частиц гидрида металла составляет 573 K при давлении 500 МПа.

15. Применение металлогидридно-металлического композита в нейтронной защите по любому предшествующему пункту, при этом относительное изменение объема, связанное с растворением и/или образованием любого гидрида металла, составляет менее 10%.

16. Термоядерный реактор, содержащий нейтронную защиту, содержащую металлогидридно-металлический композит, причем металлогидридно-металлический композит содержит:

металлическую матрицу и