在聚变反应堆的长脉冲点火模式下,要求氢同位素储存与供给系统 (SDS) 在60 min内恒流吸氚16 mol,即要求每摩尔氚的速率为0.37 NL min-1。但是,由于合金吸收氢同位素的反应存在显著的热效应,以及粉末床的有效热导率一般小于2 W m-1 K-1,合金粉末吸氢时的温度会快速上升,进而导致罐子吸收氢同位素的性能远低于合金的本征性能。因此,贮氢罐的设计优化是SDS系统中氢同位素存储与供给应用的关键。而在研究罐子性能时,我们一般使用氢气来代表合金存储氢同位素的性能。上海大学李谦教授团队与中国原子能科学研究院杨洪广研究员合作,采用数值模拟方法来研究并预报贮氢罐的恒流吸氢性能。相结果以“Numerical simulation of a metal hydride tank with LaNi4.25Al0.75 using a novel kinetic model at constant flows”为题发表在Chemical Engineering Journal上。论文第一作者为林羲博士,通讯作者为李谦教授和杨洪广研究员。 论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126115 研究的流程如图1所示。首先,我们需要对贮氢罐的吸氢过程进行建模,提出耦合了传热传质与合金吸氢动力学的数值模型。在该数值模型中,我们针对传统动力学模型 (如Chou模型,JMAK模型等) 难以快速分析获得不同压力范围内的动力学机理及方程的问题,提出了恒流吸氢动力学模型。在这个模型中,我们构建了吸氢压力和时间、流量、温度、粒径的函数关系 (如表1所示),并可以用它快速的分析合金恒流吸氢压力曲线,进而获得不同压力范围内的吸氢控速步骤和动力学方程。图1 采用数值模拟方法设计贮氢罐的流程 (红线和蓝线为方程的耦合关系)。表1 合金的恒流吸氢动力学模型注:f(x)为参考温度下合金平衡压多项式拟合方程。然后,采用LaNi4.25Al0.75合金作为存储介质,通过实验测试了合金恒流吸氢压力-时间曲线。采用提出的恒流吸氢动力学模型对压力-时间曲线进行分析,结果如图2所示。拟合结果表明,合金在吸氢阶段I和阶段II的控速步骤分别为表面渗透和晶界形核控速 (n为0.82),对应的压力方程为:可以将其转换成瞬时吸氢速率方程:结合合金和氢气的热物性参数,最终获得了贮氢罐数值模型中所有的参数值。