氘氚可控核聚变能被誉为“人造太阳”，是人类实现能源革命，获得清洁、安全、高效终极能源的希望所在。为保证聚变堆的稳定高效运行，迫切需要发展氢同位素贮存与供给系统（SDS）相关材料及工程技术，以实现氢同位素比例稳定的氘氚燃料快速供给（要求氢同位素效应低）。ZrCo合金凭借其室温吸氢坪台压低、吸放氢速率快、固氦性能好、安全无辐射以及低自燃等优点，被认为是适用于SDS贮供氘氚的最佳候选材料。然而，由于气固两相氢同位素能量差异，ZrCo合金在释氢过程中的显著氢同位素效应会严重干扰燃料供给时氢同位素比例的精准控制，从而影响其在SDS中的进一步应用。分离因子α是一种常用的氢同位素效应描述指标，但会随温度升降而发生动态变化，无法用于准确定量评判氘氚燃料实际处理过程中的氢同位素比例波动程度。此外，金属氢化物中间隙氢原子的配位环境决定了气固相间氢同位素能量差异，从而影响材料的氢同位素效应，合理设计金属氢化物体系的局域配位环境是实现氢同位素稳定供给的重要手段。
有鉴于此，浙江大学材料科学与工程学院陈立新教授和肖学章副教授团队联合中国工程物理研究院材料研究所罗文华和寇化秦研究员团队开展了长期的合作研究，在深入查明ZrCo合金氢同位素效应规律及内在机理的基础上，首次提出了SDS应用工况下的氢同位素效应工程应用评价指标Tgap以及实现金属氢化物体系氢同位素稳定供给的局域配位设计策略，并结合第一性原理计算设计研制出具有比较理想氢同位素工程应用功效的Ti-Pd共掺ZrCo基新型合金。
该项研究成果以“Isotope engineering achieved by local coordination design in Ti-Pd co-doped ZrCo-based alloys”为题于2024年4月3日，在Nature Communications期刊在线发表(https://doi.org/10.1038/s41467-024-47250-3)。论文第一作者为浙江大学材料科学与工程学院博士研究生戚家程和中国工程物理研究院材料研究所黄旭博士，通讯作者为浙江大学材料科学与工程学院陈立新教授、肖学章副教授以及中国工程物理研究院材料研究所寇化秦研究员。浙江大学为该论文第一通讯单位。该项工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的资助，还得到了中国工程物理研究院成都基地氘氚燃料工程技术中心和浙江大学杭州国际科创中心的合作支持。
图1 ZrCo合金的微观结构和性能表征以及动力学氢同位素效应机理解析结果
对ZrCo合金的动力学氢同位素效应研究表明，其吸氢过程中的动力学氢同位素效应轻微，而释氢过程中的动力学氢同位素效应显著（图1）。其中，轻微的吸氢动力学同位素效应和快速的氢同位素吸收动力学均有利于氢同位素的快速贮存，而释氢过程中的显著动力学氢同位素效应会严重干扰燃料供给时氢同位素比例的精准控制。
图2 ZrCo合金的热力学氢同位素效应与谐振子模型
对ZrCo合金的宽温域热力学氢同位素效应研究表明，其氢同位素效应会随着温度的变化而发生动态变化，并会在某一温度处出现氢同位素效应正负反转的现象（图2）。该温度被定义为临界温度Tcr，在Tcr附近释放氢同位素有望降低氢同位素比例的波动。对于氢同位素贮存材料的实际工程应用，对应1 bar平衡氢压的释放温度T1 bar被认为是氘氚燃料供给时的适宜操作温度。Tcr与T1 bar两者之间的不匹配则是导致释放过程中氢同位素比例波动的显著特征，而且Tcr和T1 bar均会随着合金成分、结构的调整而发生变动。基于此，研究团队提出一种新的氢同位素效应工程评价指标Tgap（Tgap = T1 bar - Tcr），用于定量评价工程应用条件下的氢同位素比例波动程度并指导设计氘氚稳定供给的新型ZrCo基合金（图3a）。Tgap降低则反映出气固两相间氢同位素能量差异减小，进而可缓减氘氚燃料供给时的氢同位素比例波动幅度。
图3 氢同位素效应工程应用评价指标与局域配位设计策略
在上述研究基础上，通过分析金属原子所形成的局域环境与间隙氢原子的相互作用，团队首次提出了指导金属氢化物体系氢同位素稳定供给的局域配位设计策略，并结合第一性原理计算分别筛选出了Ti和Pd两种有利于抑制氢同位素比例波动的A侧和B侧合金化元素（图3b），进而设计研制出Ti-Pd共掺ZrCo基新型合金。相较ZrCo二元合金，Ti-Pd共掺ZrCo基新型合金的Tgap降低了三分之二，氢同位素释放过程中的动力学能垒差异降低了五分之四，氢同位素比例波动幅度显著减小，具有比较理想的氢同位素供给稳定性（图4）。
图4 Ti-Pd共掺ZrCo基新型合金的微观结构和性能表征以及氢同位素效应机理解析
该项研究通过对SDS工程应用条件下氢同位素比例波动本质原因的分析阐述以及间隙氢环境与氢同位素效应作用机理的深入解析，提出了氢同位素效应工程应用评价指标及局域配位设计策略，为开发氘氚燃料稳定供给的SDS应用材料提供了重要的理论与实践支撑，助力我国氘氚可控核聚变能技术的发展。
