Влияние состава твердой фазы на фазовое изотопное равновесие в системе «Водород – ZrV2-xNix»
, С. А. САМОЙЛОВ, А. Б. САЗОНОВ,
Э. П. МАГОМЕДБЕКОВ
Российский химико-технологический университет им.
Влияние состава твердой фазы на фазовое изотопное равновесие в системе «водород – ZrV2-xNix»
Изучено фазовое и изотопное равновесие в системе «водород – ZrV2-xNix». Предложена микроскопическая модель, адекватно описывающая полученные экспериментальные зависимости.
Процессы разделения тритийсодержащих смесей с использованием системы водород – металлические гидриды выгодно отличаются от большинства других тем, что рабочие вещества не подвержены радиолизу под действием излучения трития. Кроме того, применение водорода, а не воды (из-за меньшей токсичности трития в форме газа) облегчает решение вопросов радиационной безопасности. Наконец, высокие коэффициенты разделения и высокая скорость межфазного изотопного обмена позволяют сократить объем разделительной аппаратуры. В настоящее время для данных целей используются сорбенты на основе палладия. Однако, из-за их высокой стоимости и сравнительно низкой емкости по водороду целесообразно на промежуточной стадии концентрирования трития использовать систему водород – интерметаллические соединения (ИМС), так как коэффициенты разделения на палладии и ИМС в данном случае сравнимы.
Одним из перспективных для указанных выше целей являются фазы Лавеса, среди которых выделяется ИМС ZrV2. Оно характеризуется наибольшей емкостью по водороду, значительными коэффициентами разделения и имеет сравнительно невысокую стоимость. Однако значительный тепловой эффект при гидрировании свидетельствует о геттерных свойствах, которые увеличивают энергозатраты на обращение потоков и ухудшают кинетику изотопного обмена.
Как было показано ранее, введение добавок никеля в различные ИМС приводит к уменьшению стабильности гидридов, улучшению кинетики изотопного обмена и уменьшению отравляющего влияния примесей в газовой фазе. В связи с этим работа посвящена исследованию влияния никеля на свойства интерметаллических соединений ZrV2-xNix (где х = 0 – 0,4).
Изучено фазовое и изотопное равновесие в диапазоне температур 273-323 К. Из полученных результатов следует, что при увеличении содержания никеля в исходном ИМС давление гидридо - (дейтеридо-) образования увеличивается, а емкость по водороду несколько уменьшается. На величину коэффициента разделения увеличение добавки никеля в данном ИМС влияет незначительно.
Для объяснения зависимости коэффициента разделения от состава ИМС были проведены соответствующие расчеты в рамках суперпозиционной модели взаимодействия металл-водород, в которой потенциал взаимодействия отдельного атома металла i с атомом Н(D) имеет вид функции нормального распределения Гаусса ui = Aexp(-air2), где ai зависит от положения металла в периодической системе элементов, r – межъядерное расстояние металл-водород [1]. Поскольку изучаемая система характеризуется невысокой степенью ангармонизма (заполняются тетраэдрические междоузлия), при расчетах сумм по состояниям твердой фазы использовались известные соотношения трехмерного гармонического осциллятора [2], частоты которого определялись вариационным методом с использованием вышеописанного потенциала.
Рассматривалось заполнение тетраэдрических междоузлий Zr2V2-xNix (x= 0, 1, 2) и ZrV3-xNix (x= 0, 1, 2, 3) с учетом их статистического веса в структуре в отсутствие дальнего порядка в расположении атомов никеля. Сравнение экспериментальных и рассчитанных значений коэффициентов разделения показало, что прелагаемая модель адекватно описывает эффект многопозиционного заполнения.
Список литературы
1. , , . Прогнозирование термодинамических изотопных эффектов в системах Н2 – гидриды ИМС типа АВ2 и АВ5 с использованием суперпозиционной модели взаимодействия Ме-Н. – 4-я Всероссийская (международная) научная конференция «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». Сборник докладов. – М., ЦНИИатоминформ, 2000. Стр. 152-161.
2. Andreev B. M., Magomedbekov E. P., Sicking G. H. Interaction of Hydrogen Isotopes with Transition Metals and Intermetallic Compounds. – Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996. 163 p.
