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国内科研

氢可以通过金属原子之间的间隙轻易地穿透金属表面

2019-07-17 09:46:08国内科研

中国和加拿大科学家进行的一项为期五年的合作研究已经通过计算机模拟产生了一个理论模型来预测金属中氢纳米气泡的性质。

国际团队由合肥物质科学研究所固体物理研究所的中国科学家及其加拿大麦吉尔大学的合作伙伴组成。结果将于7月15日发表在Nature Materials上。

研究人员认为,他们的研究可以对富氢环境(如核聚变反应堆堆芯)中的氢致损伤进行定量理解和评估。

氢是已知宇宙中最丰富的元素,是一种备受期待的聚变反应燃料,因此是研究的重点。

在某些富氢环境中,例如在聚变反应堆堆芯中的钨铠装,金属材料可能因大量暴露于氢而严重且不可挽回地受损。

作为最小的元素,氢可以通过金属原子之间的间隙轻易地穿透金属表面。这些氢原子可以容易地被捕获在制造期间或通过聚变反应堆中的中子辐射产生的金属中的纳米级空隙(“纳米空隙”)内。这些纳米气泡在内部氢气压力下变得越来越大,最终导致金属失效。

毫不奇怪,促进气泡形成和生长的氢和纳米空隙之间的相互作用被认为是这种失败的关键。然而,氢纳米气泡的基本性质,例如它们的数量和夹带在气泡中的氢的强度,在很大程度上是未知的。

此外,可用的实验技术使得直接观察纳米级氢气泡实际上是不可能的。

为了解决这个问题,研究小组提议使用基于基本量子力学的计算机模拟。然而,氢纳米气泡的结构复杂性使得数值模拟极其复杂。因此,研究人员需要五年时间来制作足够的计算机模拟来回答他们的问题。

然而,最后,他们发现纳米空隙中的氢捕获行为 - 虽然显然很复杂 - 实际上遵循简单的规则。

首先,各个氢原子以相互排斥的方式被具有不同能级的纳米空隙的内表面吸附。其次,经过一段时间的表面吸附后,由于空间有限,氢气被推向纳米空隙核心,然后分子氢气在那里积聚。

遵循这些规则,该团队创建了一个准确预测氢纳米气泡特性的模型,并与最近的实验观察结果一致。

就像氢气填充金属中的纳米空穴一样,这项研究填补了理解氢纳米气泡如何在金属中形成的长期空白。该模型为评估聚变反应堆中氢诱导的损伤提供了强有力的工具,从而为未来收获聚变能量铺平了道路。

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