聚变能源中的氚化学与氚工艺研究进展及展望

核聚变被认为是人类社会未来的理想能源,对社会、经济的可持续发展具有重要的战略意义。氘氚聚变反应具有反应截面大、反应速率高、点火温度低及释放能量大等优点,是目前聚变研究的主要目标,而高效的氘氚燃料循环工艺与技术是实现聚变能源商业应用的基础。本文主要介绍氘氚燃料循环所涉及的等离子体排灰气中氚的快速回收、氚的增殖与提取、大规模氢同位素分离、氚测量等相关氚化学与氚工艺的研究进展及展望,以期对未来聚变能源氚工厂相关技术的研究提供借鉴和参考。     

基于GDT的14MeV中子源初步设计研究

为满足聚变材料测试对D-T聚变中子源的需要,本文首先根据国际上对用于聚变材料测试的中子源的要求给出设计目标,然后基于Gas Dynamic Trap(GDT)装置的实验进展,提出了基于GDT装置的14MeV中子源的设计初步方案,并建立了GDT中子源的物理模型。计算分析给出了两套中子源参数初步方案,其中FDS-GDT2中子壁负载为2MW/m2,可用于聚变材料的测试。     

聚变实验增殖堆氚系统设计研究(英文)

介绍了核工业西南物理研究院聚变实验增殖堆工程概要设计(FEB-E)中的氚系统设计研究。第一部分介绍包层氚增殖区的划分、几何尺寸、装料特征和用蒙特卡罗程序计算得到的液态锂中的氚浓度分布;第二部分描述根据聚变堆氚物理基础构造的氚循环系统,共分成 10 个子系统及它们之间氚的流程图。运用研制的程序SWITRIM 计算了各个子系统中的氚投料量随时间的变化,满功率运行一年后各个子系统中的氚投料量。研究结果表明起动 143 MW 聚变功率 FEB-E 堆所需要的初始氚投料量大约为 319 g。第三部分对不同的运行状态下的氚泄漏问题进行了分析。潜在的氚泄漏危险可能来自于偏滤器系统从等离子体中抽出的气体。得到的结论是提高FEB-E 堆芯等离子体的燃耗份额从而减少氚的通过量对降低氚的泄漏危险是重要的。     

聚变堆氚分析程序TAS1.0的设计与开发

氚是聚变堆的重要燃料之一,对聚变堆氚系统进行分析从而实行有效的氚控制是聚变研究的重要内容之一.在中国系列液态金属锂铅包层聚变堆概念设计研究基础上,利用现代软件工程方法及面向对象技术设计思想,发展了聚变堆氚分析程序TAS1.0,可用于聚变堆氚自持分析、氚燃料管理及氚安全性分析与研究,并可为聚变堆包层及燃料循环系统设计与分析提供技术支持.通过一系列的测试校验,表明了该程序的正确性与有效性.本文主要介绍该程序的系统设计、技术特点与程序测试.     

强流氘氚聚变中子源HINEG设计研究

强流氘氚聚变中子源HINEG(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator)研发分两期:HINEG-Ⅰ为直流脉冲双模式,已成功产生中子强度1.1×10~(12)n/s的氘氚聚变中子,并实现连续稳定运行;HINEG-Ⅱ中子强度设计指标为10~(14)~10~(15)n/s量级,重点突破强流离子源和高载热氚靶技术。HNEG中子源可开展中子学方法程序与核数据、辐射屏蔽与防护、材料活化与辐照损伤机理和部件中子学性能等核能与核安全研究,同时也可在核医学与放射治疗、中子照相等领域拓展核技术应用研究。本文简要介绍HINEG总体设计方案与关键技术研究进展。     

FEB-E氚循环系统计算机模拟

对聚变实验增殖堆工程概要设计(FEB-E)的氚燃料循环构造了一个动态子系统模型,研制了模拟氚燃料循环系统的计算机程序SWITRIMcode。计算了10个子系统中运行一年后的氚投料量和整个堆系统总的氚投料。     

基于GDT的聚变裂变混合堆堆芯参数初步设计研究

基于Gas Dynamic Trap(GDT)装置的实验进展,提出了用于驱动聚变裂变混合堆包层的聚变堆芯参数设计。基于零维堆芯物理模型,计算分析给出了一套聚变功率为50MW的初步堆芯参数方案。利用GDT装置的实验结果对该物理模型进行计算对比校验,显示该物理模型和设计参数的可靠性。     

裂变-聚变中子源

为适应聚变堆的发展和处理高放废物的需要,提出裂变-聚变中子源的概念,它是采用LiD组件放在高通量反应堆中或中国先进研究堆(CARR)重水区中,通过慢中子与6Li(n,a)反应产生2.739 MeV氚离子,它与LiD中的D发生聚变反应,产生聚变中子;随着LiD中氚的快速积累,14 MeV 中子产生的D反冲粒子流与氚发生聚变反应,增长聚变中子产额,使 14 MeV 中子注量率逐渐升高.当氚浓度接近0.5×1022时,D反冲粒子流与氚的聚变反应率的产额接近于1,聚变中子将成倍的增长,类似于连锁反应,使聚变中子产额达到饱和,即t时刻产生氚,都被用于产生聚变反应,形成裂变-聚变中子源.这时的通量非常高,必须在接近饱和前对设定的通量(如3.5×1014n/cm2·s)下逐步降低反应堆功率,如降低CARR 中子注量率,使其在设定的通量下达到饱和,适应聚变堆中子注量率的需求.论述了裂变-聚变中子源的原理,聚变中子产生率,氚的积累速率和浓度,D反冲粒子流和与氚的聚变反应速率,以及其影响因素.在均匀中子场下(即不考虑中子降抑的情况下)计算了外径180 mm、内径100 mm的LiD管道中聚变中子注量率.     

基于积分分析方法对聚变堆启动氚量与所需氚增殖比的评估

托卡马克聚变堆的主要发展方式包括混合堆、纯聚变堆。关于托卡马克聚变堆氚自持的研究,国内外主要采用平均滞留时间方法进行研究,并且针对聚变功率较低的混合堆的氚自持研究较少。本工作采用更符合实际的积分分析方法分析了混合堆、纯聚变堆氚自持的启动氚量、氚增殖比(TBR)要求。研究结果表明：启动氚量、备用氚量与聚变功率具有线性关系,所需TBR与聚变功率呈反比例关系;混合堆聚变功率较低,所需TBR较高,工程实现所需TBR挑战较大,需要通过限制长期氚滞留量以降低所需TBR要求;纯聚变堆聚变功率高,所需TBR较低,工程实现所需TBR挑战较小,但备用氚需求达数十千克,应考虑氚系统的冗余设计或提高氚系统的可靠性、可维护性,以降低备用氚的使用规模;运行因子是聚变堆的一个重要设计指标,在此着重分析了运行因子对所需TBR的影响,并重新定义了一个聚变堆氚自持的关系式,以突出运行因子对氚自持的重要影响。     

聚变裂变混合乏燃料焚烧堆FDS-SFB燃料循环方案设计与分析

针对聚变裂变混合乏燃料焚烧堆FDS-SFB(Spent Fuel Burner),基于湿法和干法两种后处理技术途径提出了不同的燃料循环方案。并分别对FDS-SFB燃料循环所需的初装资源量、燃料制备和乏燃料后处理能力进行初步质量流分析和可行性初步评估。基于较好嬗变和增殖性能的FDS-SFB典型中子学方案的质量流初步分析表明:两种方案燃料循环其所需的初装资源量、燃料制备、乏燃料后处理能力具有初步的可行性。     

Preliminary Design of Source Neutrons for Detecting Explosives by Thermal Neutron

<正>The explosive detection method of thermal neutron activation(TNA)uses the thermal neutron interacting explosive of rich elements(H,N),after(n,γ)reaction,emitγrays with characteristic energy(2.223 MeV,10.835 MeV),through spectrum analysis the content of reaction element can be determined,detecting the presence of explosives.Based on the D-D neutron     

Preliminary Design of Secondary Neutron Source for China Experimental Fast Reactor

正To improve economic efficiency during the physical start-up of China Experimental Fast Reactor(CEFR),we choose Sb-Be neutron source as the design object,the feasibility of using sec-     

10~(12)n/s氘氚聚变中子发生器旋转氚靶设计与传热分析

本文设计一种用于1012 n/s量级氘氚中子发生器HINEG(High Intensity Neutron Generator)的旋转氚靶系统,对该系统的技术难点、机械和冷却方案等进行介绍,给出了该靶系统的设计关键指标参数,并利用CFD方法对该旋转靶系统的传热过程进行三维模拟和分析。分析结果表明,该靶系统在稳定运行时,靶片最高温度为48℃,靶系统采用的冷却方案可以有效地实现靶系统的散热,不会发生氚的大量释放和靶片熔毁。     

聚变驱动乏燃料焚烧堆(FDS-SFB)燃料循环动态分析

针对聚变驱动乏燃料焚烧堆FDS-SFB燃料循环系统与一次通过燃料循环系统,利用系统动力学软件Vensim分别建立了这两种循环系统的动态分析模型,并根据假设的三种核电发展情景,分别计算了这两种燃料循环系统的资源需求、乏燃料累积量、钚累积量及次锕系元素累积量。初步计算结果表明:与一次通过式燃料循环系统相比,FDS-SFB燃料循环系统可减少天然铀需求量与乏燃料累积量,减少的程度与核电发展规模相关。     

Application of Fusion Neutron Source for Denaturing of Plutonium

Potential of DT fusion neutron source to enhance proliferation resistance properties of plutonium by means of its isotopic denaturing is addressed. The approach is exemplified by denaturing of pure ²³⁹Pu and plutonium of typical LWR spent fuel through transmutation of neptunium. The essential feature of a fusion driven system proposed in the study is a zero mass balance of plutonium: total plutonium inventory is constant during irradiation. The system is capable to convert pure ²³⁹Pu into plutonium composition with more than 20% fraction of key ²³⁸Pu isotope during 1,000 d of irradiation under initial neutron loading of 1 MW.m^?2. Denaturing of LWR spent fuel plutonium under the same conditions would increase its ²³⁸Pu content up to 10-12%.     

Neutron Excess Generation by Fusion Neutron Source for Self-Consistency of Nuclear Energy System

The present day fission energy technology faces with the problem of transmutation of dangerous radionuclides that requires neutron excess generation. Nuclear energy system based on fission reactors needs fuel breeding and, therefore, suffers from lack of neutron excess to apply large-scale transmutation option including elimination of fission products. Fusion neutron source (FNS) was proposed to improve neutron balance in the nuclear energy system. Energy associated with the performance of FNS should be small enough to keep the position of neutron excess generator, thus, leaving the role of dominant energy producers to fission reactors. The present paper deals with development of general methodology to estimate the effect of neutron excess generation by FNS on the performance of nuclear energy system as a whole. Multiplication of fusion neutrons in both non-fissionable and fissionable multipliers was considered. Based on the present methodology it was concluded that neutron self-consistency with respect to fuel breeding and transmutation of fission products can be attained with small fraction of energy associated with innovated fusion facilities.     

基于蒙特卡罗方法的固态氚增殖剂聚变中子辐照损伤行为分析

实验包层模块(TBM)是聚变反应堆最重要的组件之一,作用是产氚和能量提取。锂陶瓷具有良好的化学稳定性、热机械性能、产氚性能以及可在更高温度下使用等特点,被认为是聚变堆包层最具吸引力的氚增殖剂材料。中国ITER-TBM设计方案采用了氦冷固态氚增殖剂(HCCB)TBM结构,其聚变环境下的辐照损伤行为可为中国HCCB TBM结构设计提供支持。针对固态氚增殖剂聚变中子辐照损伤问题,利用蒙特卡罗模拟,对比分析了Li_4SiO_4和Li_2TiO_3的中子辐照离位损伤和嬗变气体损伤。结果表明:在相同的服役时间下,Li_4SiO_4比Li_2TiO_3将产生更多的嬗变气体,且在高6 Li丰度情况下,其中子辐照损伤也更严重,会产生更高的损伤剂量和更大的损伤截面。但是,嬗变气体所造成的空位损伤Li_2TiO_3要比Li_4SiO_4严重;对两种陶瓷材料来讲,氦损伤效应均强于氚损伤效应。     

秦山第二核电厂辐照燃料组件替代中子源的可行性分析

反应堆中子源的作用是提高次临界状态下堆芯的注量水平。在实际运行中,可能发生停堆时间较长致使中子源衰减,或中子源发生破损无法继续使用的情况。本文通过对已辐照燃料组件自发中子源和源量程探测器响应的计算分析,探讨使用已辐照燃料组件替代中子源的可能性。计算结果表明,首组入堆组件燃耗在24 100 MW•d•tU^-1以上即可满足中子计数率监测的要求。本方法可为中子源意外破损提供解决方案。     

加速器驱动次临界产氚反应堆ADS-T中子学初步设计与分析

本文针对兼顾嬗变和产氚的铅合金冷却加速器驱动次临界反应堆ADS-T(ADS-Tritium),采用自主研发的大型集成多功能中子学计算与分析软件系统VisualBUS4.2和混合评价核数据库HENDL3.0,对散裂中子能量、产氚材料中6 Li丰度、结构钢材料、初始keff、中子能谱以及产氚组件摆放方式等产氚条件进行了敏感性分析.最后本文给出了年产氚千克级的ADS-T中子学初步方案,提供了一种有吸引力的氚生产途径.