Isotope Effect in the Interaction between Hydrogen and Fusion Reactor Materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A summary is presented of results from studying the transport characteristics of hydrogen isotopes in a number of fusion reactor materials as ferritic–martensitic steels, austenitic steels, and CuCrZr–bronze. The parameters of tritium transport in the materials are obtained using experimentally measured parameters of hydrogen and deuterium transport within the classical rate theory. The applicability of this approach is discussed. It is shown that a considerable part of the experimental data is inconsistent with assumptions based on the classical theory. Other approaches are required to accurately predict tritium fluxes through fusion reactor materials.

About the authors

T. A. Shishkova

National Research Center Kurchatov Institute; Mendeleev University of Chemical Technology

Email: anfimova_t_a@mail.ru
123098, Moscow, Russia; 125047, Moscow, Russia

A. V. Golubeva

National Research Center Kurchatov Institute

Email: anfimova_t_a@mail.ru
123098, Moscow, Russia

M. B. Rozenkevich

Mendeleev University of Chemical Technology

Author for correspondence.
Email: anfimova_t_a@mail.ru
125047, Moscow, Russia

References

  1. Kuteev B.V., Goncharov P.R. // Fusion Science and Technology. 2020. V. 76. № 7. P. 836. https://doi.org/10.1080/15361055.2020.1817701
  2. Бекман И.Н. Математика диффузии: учебное пособие. Москва: Издательство ОнтоПринт, 2016. 400 с.
  3. Taylor Ch.N. // Journal of Nuclear Materials. 2022. V. 558. P. 153396. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153396
  4. Черданцев Ю.П., Чернов И.П., Тюрин Ю.И. Методы исследования систем металл-водород: учебное пособие. Томск: Издательство ТПУ, 2008. 286 с.
  5. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Сахаровскии Ю.А. Гетерогенные реакции изотопного обмена трития. М.: Издательство Эдиториал УРСС, 1999. 203 с.
  6. Glugla M., Antipenkov A., Beloglazov S., Caldwell-Ni-chols C. // Fusion Eng. Des. 2007. V. 82. № 5. P. 472. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2007.02.025
  7. Михайлов В.Н., Евтюхин В.А., Люблинский И.Е. и др. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века. М.: Энергоатомиздат, 1999. 526 с.
  8. Chen J.M., Chernov V.M., Kurtz R.J., Muroga T. // J. of Nuclear Materials. 2011. V. 417. № 1-3. P. 289–294. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.02.015
  9. Li M., Zinkle S.J. // Comprehensive Nuclear Materials. 2012. V. 4. P. 667. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00122-1
  10. Dolinski Yu., Lyasota I., Shestakov A. et al. // Ibid. 2000. V. 283–287. P. 854. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00314-7
  11. Causey R.A. // Ibid. 2002. V. 300. № 2–3. P. 91. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(01)00732-2
  12. Мерер Х. Диффузия в твердых телах: монография. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 535 с.
  13. Causey R.A., Karnesky R.A., San Marchi C. // Comprehensive Nuclear Materials. 2012. P. 511. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00116-6
  14. Писарев А.А., Цветков И.В., Маренков Е.Д., Ярко С.С. // Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’11 JUNIOR: сборник докладов Седьмой международной школы молодых ученых и специалистов. Саров: ФГУП “РФЯЦ-ВНИИЭФ”. 2012. С. 450.
  15. Oriani R. // Acta Metallurgica. 1970. V. 18. № 1. P. 147. https://doi.org/10.1016/0001-6160(70)90078-7
  16. Marchi C.S., Somerday B.P., Robinson S.L. // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2007. V. 32. № 1. P. 100. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.05.008
  17. Wert C., Zener C. // Physical Review. 1949. V. 76. № 8. P. 1169. https://doi.org/10.1103/physrev.76.1169
  18. Лобко В.Н. // Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’10. Сборник докладов Четвертой Международной конференции и Шестой Международной Школы молодых ученых и специалистов. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2011. С. 270.
  19. Esteban G.A., Perujo A., Douglas K., Sedano L.A. // J. of Nuclear Materials. 2000. V. 281. № 1. P. 34. https://doi.org/10.1016/s0022-3115(00)00188-4
  20. Sivak A.B., Sivak P.A., Romanov V.A., Chernov V.M. // Ibid. 2015. Vol. 461. P. 308. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.03.031
  21. Grabke H.J., Riecke E. // Mater. Tehnol. 2000. V. 34. № 6. P. 331.
  22. Houben A., Scheuer J., Rasiński M. et al. // Nuclear Materials and Energy. 2020. V. 25. P. 100878. https://doi.org/10.1016/j.nme.2020.100878
  23. Aoyagi K., Torres E., Suda T., and Ohnuki S. // J. of Nuclear Materials. 2000. V. 283-287. P. 876. https://doi.org/10.1016/s0022-3115(00)00140-9
  24. Gorley M., Aiello G., Henry J., Nozawa T. et al. // Fusion Engineering and Design. 2021. V. 170. P. 112513. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112513
  25. Компаниец Т.Н. // Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM-09 JUNIOR. Сборник докладов Четвертой Международной конференции и Шестой Международной Школы молодых ученых и специалистов. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2010. С. 35.
  26. Компаниец Т.Н. // ВАНТ. Сер. Терм. Синтез. 2009. № 3. С. 16.
  27. Колотов В.П. Теоретические и экспериментальные подходы к решению задач активационного анализа, гамма-спектрометрии и создания малоактивируемых материалов: Автореф. дис. … доктора хим. наук: М.: Ин-т геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, 2007. 48 с.
  28. Kulsartov T.V., Hayashi K., Nakamichi M. et al. // Fusion Engineering and Design. 2006. V. 81. № 1–7. P. 701. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2005.07.019
  29. Xu Y., Hirooka Y., Nagasaka T. // Fusion Engineering and Design. 2017. V. 125. P. 343. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.04.022
  30. Serra E.E., Perujo A., Benamati G. // J. of Nuclear Materials. 1997. V. 245. № 2–3. P. 108. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(97)00021-4
  31. Zhou H., Hirooka Y., Ashikawa N. et al. // Ibid. 2014. V. 455. № 1–3. P. 470. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.07.061
  32. Wedig F., Jung P. // Ibid. 1997. V. 245. № 2–3. P. 138. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(97)00014-7
  33. Chen Z., Hu X., Ye M., Wirth B.D. // Ibid. 2021. V. 549. P. 152904. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.152904
  34. Dolinsky Y.N., Zouev Yu.N., Lyasota I.A. et al. // Ibid. 2002. V. 307–311. P. 1484. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)01128-5
  35. Barabash V., Peacock A., Fabritsiev S. et al. // Ibid. 2007. V. 367–370. P. 21. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.03.017
  36. Xiukui S., Jian X., Yiyi L. // Materials Science and Engineering: A. 1989. V. 36. P. 179. https://doi.org/10.1016/0921-5093(89)90857-5
  37. Cherkez D.I., Golubeva A.V., Spitsyn A.V., Chernov V.M. // Journal of Nuclear Materials. 2022. V. 571. № 1. P. 154017. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154017
  38. Byeon W.J., Lee S.K., Noh S.J. // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2020. V. 45. № 15. P. 8827. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.01.130
  39. Nemanič V., Žumer M., Kovač J. // J. of Nuclear Materials. 2019. V. 521. P. 38. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.04.043
  40. Houben A., Engels J., Rasiński M., Linsmeier C. // Nuclear Materials and Energy. 2019. V. 19. P. 55. https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.01.030
  41. Quick N.R., Johnson H.H. // Metallurgical Transactions A. 1979. V. 10. № 1. P. 67.
  42. Lee S.K., Yun S.-H., Joo H.G., Noh S.J. // Current Applied Physics. 2014. V. 14. № 10. P. 1385. https://doi.org/10.1016/j.cap.2014.08.006
  43. Shiraishi T., Nishikawa M., Yamaguchi T., Kenmotsu K. // J. of Nuclear Materials. 1999. V. 273. № 1. P. 60. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(99)00018-5
  44. Shiraishi T., Nishikawa M., Fukumatsu T. // Ibid. 1998. V. 254. № 2–3. P. 205. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(97)00362-0
  45. Shan C., Wu A., Li Y. et al. // Ibid. 1991. V. 179–181. P. 322. https://doi.org/10.1016/0022-3115(91)90091-K
  46. Swansiger W.A., Bastasz R. // Ibid. 1979. V. 85–86. P. 335. https://doi.org/10.1016/0022-3115(79)90512-9
  47. Barabash V.R., Kalinin G.M., Fabritsiev S.A., Zinkle S.J. // Ibid. 2011. V. 417. № 1–3. P. 904. 10.1016/j.jnucmat.2010.12.158' target='_blank'>https://doi: 10.1016/j.jnucmat.2010.12.158
  48. Qu D., Zhou Z., Yum Y., Aktaa J. // Ibid. 2014. V. 455. № 1–3. P. 130. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.04.026
  49. Noh S.J., Byeon W.J., Shin H.W. et al. // Ibid. 2016. V. 473. P. 112. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.01.035
  50. Serra E., Perujo A. // Ibid. 1998. V. 258–263. Part 1. P. 1028. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(98)00276-1
  51. Zhou H.-S., Liu H.-D., An Z.-Q. et al. // Ibid. 2017. V. 493. P. 398. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.06.028
  52. Esteban G.A., Alberro G., Peñalva I. et al. // Fusion Engineering and Design. 2009. V. 84. № 2–6. P. 757. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2008.12.007
  53. Peñalva I., Alberro G., Legarda F. et al. Interaction of Copper Alloys with Hydrogen // Copper alloys – early applications and current performance – enhancing processes. 2012. P. 31. https://doi.org/10.5772/34469
  54. Reiter F., Forcey K.S., Gervasini G. A Compilation of Tritium–Material Interaction Parameters in Fusion Reactor Materials // Report EUR 15217 EN. 1993
  55. Tanabe T., Yamanishi Y., Sawada K., Imoto S. // J. of Nuclear Materials. 1984. V. 123. № 1–3. P. 1568. https://doi.org/10.1016/0022-3115(84)90304-0
  56. Lyu Y.-M., Xu Y.-P., Liu H.-D. et al. // Int. J. Hydrog. Energy. 2019. V. 44. № 33. P. 18265. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.05.046
  57. Birnbaum H.K., Wert C.A. // Ber. Bunsenges. Physik. Chem. 1972. V. 76. P. 806. https://doi.org/10.1002/bbpc.19720760835
  58. Esteban G.A., Peña A., Legarda F., Lindau R. // J. of Nuclear Materials. 2007. V. 367–370. P. 473. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.03.114

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (56KB)
Indexing metadata
3.

Download (194KB)
Indexing metadata
4.

Download (215KB)
Indexing metadata
5.

Download (193KB)
Indexing metadata
6.

Download (74KB)
Indexing metadata
7.

Download (181KB)
Indexing metadata
8.

Download (198KB)
Indexing metadata
9.

Download (121KB)
Indexing metadata
10.

Download (173KB)
Indexing metadata
11.

Download (157KB)
Indexing metadata
12.

Download (144KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Т.А. Шишкова, А.В. Голубева, М.Б. Розенкевич

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».