氚纯化装置的研制及性能验证研究

铀是一种传统的贮氚材料,在铀粉瓶中贮存的氚会不断衰变产生氦气,导致使用时氚的纯度下降,影响标记化合物产率。本研究设计了氚纯化装置,对装置进行安装调试,并对该装置中的铀床进行活化,利用该装置测定铀吸收氘单质气体的p-t曲线及在400~550℃范围的解吸氘气体的p-t曲线。应用调试好的系统对长期存放贮氚铀粉瓶中的氚进行纯化。结果表明,设计的氚纯化装置系统密封性好,经氦质谱检漏测定值为7.8×10~(-13 )Pa·m~3/s;利用该装置测定氘的吸附饱和曲线,氘完全解吸时铀对氘的吸附量为240mL/g。验证实验回收了久置铀粉瓶中的氚为1.44×10~(13 )Bq,利用氦气体积推算出久置铀粉瓶中含氚质量百分率为53.1%。实验结果证实了系统纯化氚的可行性,可为氚标记化合物制备提供可靠的氚源。     

铀吸、放氘/氚的热力学同位素效应

实验测定了铀吸收氘和氚单质气体的p-c-T曲线及解吸氘和氚气体的p-t曲线,获得了不同温度下吸气和解吸的平衡压,根据范德荷夫方程得到了铀吸收和解吸氘、氚的热力学参数ΔHΘ和ΔSΘ。数据显示,铀吸收氘和氚气体时,在相同温度相同原子比下,吸氘的平衡压比吸氚的平衡压低,解吸氘的平衡压也比解吸氚的平衡压低,且存在明显的滞后效应。从反应的焓变和熵变来看,铀吸、放氘/氚气体时存在较小的热力学同位素效应。     

老化氚化铀的解吸等温线测定

为丰富氚化铀老化后的解吸等温线数据,测定了氚化铀样品静态贮存0,460,610,1720d的解吸等温线。实验结果表明,氚化铀贮存一段时间后,样品解吸等温线的坪区依然平坦,坪压没有显著改变,氚解吸后不会留有显著的氚渣(Tritium heel),且氚在铀中的可逆吸附容量不因老化而显著减少,表明铀的氚老化效应比较轻微,适合长期贮氚。     

含氚气体中氚分压BIX在线测量方法研究

建立了一种聚变堆氘氚燃料循环系统燃料气及工艺气等含氚混合气体中氚分压在线快速测量方法,该方法通过测量氚衰变产生的β射线与材料相互作用发射的轫致X射线（BIX）,利用轫致X射线的计数率与含氚气体氚分压的标定关系曲线,实现含氚气体中氚分压（活度浓度）的实时测量。该方法中的轫致X射线是通过β射线与表面喷金的铍窗材料作用而产生的,X射线的测量采用NaI(Tl)探测器。研究过程中建立了轫致X射线计数率与氚分压的标定关系曲线,对于纯氚气体,氚压测量范围为1 Pa~10 kPa（氚活度浓度为10¹²~10¹⁵ Bq/m³）时,计数率（C）与氚压（p）的标定曲线为C=5.01×10⁴（1-e^-4.55×10-5p）,其指数拟合相关系数为1.000 00。对于氚体积分数为1%的氚-氦混合气体,氚分压测量范围为1~100 Pa（氚活度浓度为10¹¹~10¹⁴ Bq/m³）时,计数率与氚分压的标定曲线为C=5.24×10²(1-e^-4.69×10-3p),其指数拟合相关系数为0.998 60。对于氚体积分数为1%的氚 氢混合气体,氚分压测量范围为1~100 Pa（10¹¹~10¹⁴ Bq/m³）时,计数率与氚分压的标定曲线为C=5.18×10²(1-e^-4.61×10-3p),其指数拟合相关系数为0.999 53。利用以上标定曲线,对任意氚分压的含氚混合气体进行验证测量,结果表明,该方法测量精度较高、响应速度快、测量稳定性好,在氚测量技术中是一种很有前景的方法。     

CLAM钢中氕氘的渗透与去除

低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）是聚变堆产氚包层的优选结构材料。氢同位素在结构材料中的扩散渗透特性关系到产氚回收率、燃料循环及运行安全。本工作对国内研发RAFM钢之一的CLAM钢进行了气体驱动的氘渗透实验，得到573～873 K温度范围内氘的宏观溶解度S（mol/(m³•Pa^0.5)）为0.264exp(-22 447/RT)，扩散系数D（m²/s）为1.38×10^-7exp(-17 271/RT)，渗透率Φ（mol/(m•s•Pa^0.5)）为3.64×10^-8exp(-39 718/RT)。还进行了氕氘气体混合物的渗透实验，确认了渗透同位素效应；探索了钢中溶解氘的真空热释放去除。     

核磁共振测定皮质醇等八种氚标记化合物中氚的位置及其相对含量

本文阐述了核磁共振测定皮质醇等八种氚标记化合物中氘在分子中的位置及相对含量。用氚核磁共振(~5H-NMR)测定具有无损、快速、准确的特点,可用于化学反应过程中催化剂的选择及反应机理的研究。采用JEOL的FX-100型核磁共振波谱仪测定氚标记化合物样品,一般取样置10～30mCi可获得满意的图谱。     

大量铀中微量镎的快速自动化分离技术

进行了大量铀中微量镎的快速自动化分离技术研究。基于液闪测量的要求，建立了α-噻吩甲酰基三氟丙酮（TTA）萃取及阴离子交换树脂纯化的分离流程，并对流程进行了检验，镎的回收率在90%以上，对铀、钚及干扰的裂变产物的去污因子均在1.0×10⁴以上。基于该流程，设计了自动定量取样装置、自动萃取装置、自动柱分离装置，实现了全分离流程的自动化。全分离流程自动分离时间在1.9 h左右，对铀的去污因子在1.0×10⁴以上，对镎的回收率达到(71.7±2.8)%(n=5)。     

大面积氘/氚靶制备及中子产额分析

大面积氘/氚靶是实现高产额强流中子源的关键部件,是氘、氚中子源广泛应用的前提条件。本工作采用磁控溅射镀膜与多弧离子镀结合的方式,制备以铜或钼为基底、直径大于500 mm的大面积钛膜。针对制备的钛膜,采用自研的氘/氚靶生产系统,经过除气、净化、高温吸氘/氚、尾气回收等流程,生产了氘/氚钛原子比大于1.85的氘靶、氚靶,采用Ф22 mm的小靶片,进行氘束流加速器中子产额测试,研制的氘靶中子产额达到8.0×10⁸/s,根据氘靶与氚靶反应截面计算氚靶中子产额,相同条件下,氚靶的中子产额在1.0×10¹¹/s以上。以上测试结果表明,本工作研制的Ф500 mm大面积氘/氚靶,可实现强流中子源的高产额中子输出,达到国际先进水平。     

氦中痕量H2、D2组分的高精度气相色谱分析

为满足聚变堆氘氚燃料循环工艺气体中痕量氢同位素组分的特殊检测分析要求,需建立快速、高精度的在线分析方法。针对氦中痕量H₂、D₂组分,本工作以高纯氦为载气,在液氮温度下,使用自制改性Al₂O₃毛细管柱进行分离,放电氦离子化检测器进行检测。结果显示,氢氘组分的检测限不高于1×10^-8,保留时间不高于180 s,氢氘组分色谱峰峰面积响应值的相对标准偏差不大于1.0%,分离度大于1.0。本方法具有分析灵敏、快速的优点,为聚变堆包层在氘氚燃料注入系统和氢同位素分离系统中微量氚的安全分析与精确计量提供了一种有效的测量技术。     

高压氘氚气氛下铜对氚的吸附

为了解氚在铜表面的吸附和解吸行为，对铜样品在n（D）∶n（T）=1∶1，503 K时，15 MPa下恒温8 h后，再在27 MPa恒温6 h下进行了氚的吸附，并对吸附氚的铜样品在室温下和加热到1 173 K时的解吸氚量和吸附总氚量进行了测量。结果表明，铜的吸附总氚量为31.89 MBq/cm²,解吸氚量为29.18 MBq/cm²，测量的标准差为6.49％；室温和加热条件下铜所释放的氚中，化学成分主要是HTO和HT，大部分以HT形式存在；铜的自由氚量占吸附总氚量的3.64 ％；铜的热解吸谱至少存在3个解吸峰，其解吸温度分别为650，750和1 173 K以上。     

Higher resolution helium measuring system for deuterium plasma on EAST tokamak via normal Penning gauge

Although the deuterium and helium have almost the same mass,a Penning Optical Gas Analyzer(POGA) system on the basis of the spectroscopic method and Penning discharging has been designed on EAST,since 2014.The POGA system was developed successfully in 2015,it was the first time that EAST could detect helium partial pressure in deuterium plasma(wall conditioning and plasma operation scenario).With dedicated calibration and proper adjustment of the parameters,the minimum concentration of helium in deuterium gas can be measured as about 0.5% instead of 1% on the other tokamak devices.Moreover,the He and D_2 partial pressures are measured simultaneously.At present,the measurable range of deuterium partial pressure is 1?×?10~(-7)mbar to 1?×?10~(-5)mbar,meanwhile the range of helium is 1?×?10~(-8) mbar to 1?×?10~(-5)mbar.The measurable range can be modified by means of the adjustment of POGA system's parameters.It is possible to detect the interesting part of the gas with a time resolution of less than 5 ms(the 200 ms because of conductance of transfer pipe at present).The POGA system was routinely employed to wall conditioning and helium enrichment investigation in2015.Last but not the least,the low temperature plasma of POGA is generated by normal penning gauge Pfeiffer IKR gauge instead of Alcatel CF2 P,which has been suspended for a few years and was used for almost all the POGA systems in the world.     

氦-3对Zr0.85Ti0.15Co合金吸氚特性影响研究

通过铀床向Zr_0.85Ti_0.15Co床转移氚过程中,研究氦-3对Zr_0.85Ti_0.15Co合金吸氚特性的影响,并结合Ortman模型分析氦-3影响机理。结果表明：氦-3对床体的屏蔽效应明显影响粉末的吸附性能,但屏蔽效应并不能完全抑制Zr_0.85Ti_0.15Co的吸氚反应,覆盖现象严重时其仍能在较低的速率持续吸氚直至吸附完全;氦-3浓度较低时,吸氚完成时间主要由氦-3浓度影响,而氦-3浓度较高时,主要由初始氚分压影响;氦-3对Zr_0.85Ti_0.15Co吸氚的屏蔽过程分为整体流阶段和扩散散流阶段,Ortman模型可较好的预测整体流阶段的氦-3屏蔽压强。     

应用于等离子体排灰气处理的甲烷水汽重整反应的热力学分析

Tokamak装置中的等离子体反应一段时间后,需对产生的排灰气进行净化处理,以回收其中的氘氚。目前拟采用甲烷水汽重整反应将化合态的氘氚转化为单质并回收。本文运用Gibbs自由能最小化方法,对应用于等离子体排灰气处理的水汽重整反应进行热力学分析,考查反应温度、原料比例、反应压力、O₂、CO₂、H₂、CO等因素对反应平衡的影响,确定了适宜的反应条件,即反应温度范围650～700 ℃,压力1×105 Pa,水碳比1.5～2.0。此外,原料气中O₂或CO₂的存在有利于减少积碳的生成量,并获得较高的氢同位素平衡转化率;H₂的存在对重整反应的热力学平衡无明显影响;CO的存在会使积碳量增加,对反应产生不利影响,在进入重整反应器前应将其去除。     

材料中氢同位素行为热脱附谱实验方法研究

材料中氢同位素行为研究是确保聚变堆安全和经济性的关键问题和重要研究方向。为研究材料中氢同位素的扩散、释放、居留等特性,建立了一种联合四极质谱仪（QMS）的热脱附谱（TDS）实验方法,解决了TDS系统超高真空、低氢同位素质谱本底、线性升温速率控制以及灵敏度标定等关键科学技术问题。通过涡轮分子泵和二级溅射离子泵实现了优于1×10^-7Pa的超高真空,本底H₂分压降至1×10^-9Pa。通过MCGS直流PID控温程序实现样品升温速率在1～100 K/min范围可调,采用漏率可变的特制通导型玻璃漏孔标定TDS系统的氘气脱附速率灵敏度,确定该灵敏度系数α和最小可检测氘气热脱附速率（脱附速率灵敏度）分别为6.22×10²⁴s^-1·A^-1、1.24×10^-10s^-1。采用镀镍Zr-4合金吸氘样品验证了TDS方法的有效性,初步分析了Zr-4中的氘热脱附特性。     

压水堆主冷却剂中氚源项计算分析

压水堆主回路冷却剂流经堆芯时，水中固有及特加核素受中子辐照后会产生氚，氚几乎全部以气体和液体的形式排入环境，造成氚污染。因此，氚是压水堆辐射环境影响评价的主要关注内容之一。本文以AP1000为例，根据压水堆主回路冷却剂中氚的产生途径及其随时间的变化情况建立详细的计算模型，计算压水堆主回路冷却剂中的氚活度并分析各产氚途径对氚产生量的贡献。计算结果表明：主回路冷却剂中的氚主要来源于可溶性硼的中子活化和铀裂变，对氚产生量的贡献达80%以上；在⁷Li纯度为99.9%时，AP1000主回路中的年产氚量为5.23×10¹³ Bq，锂产氚量占总量的14.01%，随⁷Li纯度的增加，锂产氚量的贡献呈线性减小，在⁷Li纯度为99.99%时，锂产氚量占总量的3.18%。其他途径对氚的产生量贡献很小，可忽略。根据以上结果，可通过控制主回路冷却剂中添加的初始硼浓度、提高燃料包壳质量、增加LiOH中⁷Li的纯度等多种途径来降低主冷却剂中氚的产生量，从而减少氚对环境的放射性污染。     

钨中氘氦行为的高分辨热脱附谱实验方法研究

氢同位素在材料中的扩散、捕获和滞留等行为可通过热脱附谱实验方法进行研究。为实现对同时含有氘氦的钨材料进行热脱附测量并研究钨中氘氦滞留行为，搭建了1套基于高分辨四极质谱仪的热脱附实验系统HiTDS。HiTDS实现了1.2×10^-6 Pa的高本底真空度，速率为1 K/s的精确线性升温，最高加热温度达1423 K，能准确测量样品中气体元素的脱附速率和脱附量。通过配备高分辨四极质谱仪，HiTDS可快速分辨氘氦元素并测量其脱附速率。HiTDS经过调谐校准、标定系数标定后，对氘氦等离子体辐照钨样品进行了热脱附测量。测得的氘氦热脱附谱显示，纯氘脱附量与剂量正相关，而氦的引入显著抑制氘滞留并使其趋于饱和。热脱附实验结果与类似辐照条件的其他研究成果基本一致，检验了该实验方法的有效性。     

LaNi_(4.25)Al_(0.75)吸氕、氘、氚热力学同位素效应

采用自制的全金属氢化物吸放氢实验装置,恒温等容条件下测定LaNi_(4.25)Al_(0.75)材料吸氕、氘、氚单质气体的压力-组成等温线(P-C-T曲线),并根据Van’t Hoff(范特霍夫)方程得到LaNi_(4.25)Al_(0.75)吸氕、氘、氚形成氢化物相的热力学参数焓变ΔH分别为:-44.5、-45.0、-47.1kJ·mol-1,熵变ΔS分别为:-118.0、-121.8、-127.5J·mol~(-1)·K~(-1)。结果表明:LaNi_(4.25)Al_(0.75)材料吸收氕、氘、氚单质气体,在温度较低时,同位素效应不明显;温度高于100℃时,热力学同位素效应显著。相同温度、吸气容量条件下,吸气平衡压力从低到高依次是氕、氘和氚,其反应焓变和熵变从小到大依次是氚、氘和氕。结果表明,LaNiAl合金吸氢的热力学同位素效应依赖于温度的变化。     

电沉积 LEU UO2 靶件生产医用99Mo的工艺研究

⁹⁹Mo是一种重要的医用放射性同位素。采用低浓铀（LEU）靶件生产裂变⁹⁹Mo是发展趋势。本工作进行了电沉积UO₂靶件制备、靶件溶解以及⁹⁹Mo化学分离等工艺研究，确定了电沉积LEU UO₂靶件制备医用裂变⁹⁹Mo的工艺流程。研究表明，于不锈钢管内壁上电沉积UO₂，在pH=7、电流0.5~2 mA/cm²、温度75~90 ℃、镀液中U浓度5 mg/mL条件下，经过约210 h电沉积，不锈钢管内壁上UO₂沉积层质量达到42 mg/cm²；采用6 mol/L HNO₃溶解UO₂镀层。采用α-安息香肟沉淀法实现⁹⁹Mo与大量裂变产物的初步分离，采用阴离子交换法与活性炭色层法联用实现⁹⁹Mo的纯化；纯化后的⁹⁹Mo溶液中，杂质¹³¹I、⁹⁰Sr、⁹⁵Zr、¹⁰³Ru、²³⁸U活度与⁹⁹Mo活度比值分别为4.47×10^-6%、7.40×10^-7%、8.67×10^-7%、2.57×10^-6%、1.69×10^-14%，均小于《欧洲药典》规定值，满足医用要求。本工作建立了电沉积LEU UO₂靶件生产高纯医用裂变⁹⁹Mo的工艺流程，为今后采用LEU技术生产医用裂变⁹⁹Mo，进而实现其自主规模化生产打下了基础。