CITP-Ⅱ产氚辐照装置的设计研究

在线产氚辐照装置是CITP-Ⅱ的核心部件,是研究增殖剂材料产氚及释氚试验的关键设备。本文介绍了CITP-Ⅱ产氚辐照装置的基本结构,实现了增殖剂材料的在线换料;对装置的产氚量、自屏因子、中子注量率等物理参数进行了计算;对装置的固气两相流进行了研究,估算了装置的流场特性;对增殖剂发热率、热点、温度分布梯度、极限温度、不均匀因子等热工参数进行了分析;设计了非线性的电加热器,对增殖剂的不均匀发热进行了补偿;阐述了间气及载气的成份压力对平衡温度的影响等;确定了装置的运行参数。本研究得到的关键参数及变化规律,为CITP-Ⅱ在线产氚辐照装置的结构优化及安全分析提供了依据,也可为增殖剂材料的产氚、释氚试验研究提供借鉴。     

CITP-Ⅱ产氚辐照装置的热工研究

CITP-Ⅱ在线产氚辐照装置是CITP-Ⅱ的核心部件,是研究增殖剂材料产氚及释氚试验的关键设备。对产氚辐照装置的增殖剂发热率、热点、温度分布梯度、极限温度、不均匀因子以及CITP-Ⅱ在线产氚辐照装置间隙气体及载气的成份、压力对增殖剂平衡温度的影响等进行研究,得到关键的热工参数及变化规律。     

在线产氚辐照装置物理参数模拟

在线产氚回路对我国氚增殖模块（TBM）增殖剂候选材料的考核、氚增殖剂材料的在线释放规律研究具有重要意义,辐照装置是在线产氚回路的关键部件。本工作采用MCNP程序模拟在线产氚辐照装置在堆内辐照时的物理参数,计算结果如下：自屏因子为0.430,等效反应截面为1.09×10^-22cm²,每日产量为2.8×10¹⁰Bq,总发热功率为8.2kW。模拟计算结果为该装置的设计提供了必需的数据支持。     

CITP-Ⅱ辐照装置的安全性及可行性研究

CITP-Ⅱ辐照装置是进行聚变能源产氚增殖剂辐照实验研究专用装置,以热中子反应堆为中子源。为确保设计的安全可靠,以正硅酸锂为目标增殖剂,计算了辐照装置装入反应堆后对反应堆物理参数的影响,分析了装置在n-γ混合场中的热工性能及增殖剂温度梯度,校核了装置部件的刚度及强度,对装置的安全特性进行了评估;论证了间隙气体调温和增殖剂气力驱动更换的可行性。计算数据和分析结果为辐照装置的综合特性评估提供了数据。     

堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中,固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素,是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点,是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境,这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要,因此在中国先进研究堆(CARR)开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率,结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率,并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析,理论值与实验值能较好吻合。     

堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中，固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素，是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点，是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境，这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要，因此在中国先进研究堆（CARR）开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率，结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率，并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析，理论值与实验值能较好吻合。     

氖中微量组分气相色谱测量分析方法与验证

为测量聚变堆固态氚增殖剂堆内辐照氚增殖剂的产氚速率，除用常规电离室之外，本研究建立了Ne载气的高精度气相色谱在线检测分析方法，通过测量产氚回路中的氦产生量，验证系统中产生的氚量，从而为聚变堆固态包层产氚包层增殖剂材料辐照产氚性能提供一种新的产氚速率测量验证方法。本工作通过研制含有三个检测器、五个色谱柱的气相色谱分析系统，建立了Ne中微量⁴He、H₂及杂质组分的色谱检测分析方法，并完成了实时在线检测的验证实验。结果表明，研发的色谱分析系统可实现高纯Ne中4He、H₂及杂质组分的检测分析，H₂、⁴He检测限可分别达到1.0×10^-6、5.9×10^-6，各组分含量及峰面积的相对标准偏差(sr)均小于5.0%(n=6)，线性相关系数(r²)均大于0.99，说明检测方法重复性好。根据Ne中多组分气体的在线检测验证实验可知，单时段和多时段内的测量重复性均较好，可为辐照产氚考核系统中的产氚速率验证提供分析手段，进而为正式入堆得到辐照数据和氚衡算提供技术支持。     

氚增殖剂球床组件堆内辐照物理热工计算分析

为验证在中国先进研究堆(CARR)内进行国际热核聚变实验堆(ITER)氚增殖包层模块(TBM)辐照实验的可行性和安全性,进行了氚增殖剂球床组件堆内辐照物理及热工计算分析。氚增殖剂包层模块主要是固态氚增殖剂陶瓷球床。本文采用Monte Carlo粒子输运模拟程序对氚增殖剂球床进行堆内建模,计算球床的中子注量率、能量沉积和产额,得到不同功率下球床的中子注量率、发热功率和产氚速率以及球床组件引入反应堆的反应性。根据物理计算得到的组件各部件发热情况建立热工计算一维模型,通过更改反应堆功率得到满足实验要求的工况并采用三维程序进行验证。物理与热工计算分析的结果表明,在反应堆运行功率为20 MW的工况下球床组件各部件的温度均不超过限值。     

堆内辐照在线产氚氦冷陶瓷氚增殖剂包层球床组件热工流体力学计算分析

在研究堆内进行辐照在线产氚试验是ITER计划专项国内配套研究项目之一。本工作主要针对研究堆内辐照氦冷陶瓷氚增殖剂包层（简称陶瓷）球床组件的试验技术要求，评估辐照陶瓷球床组件设计方案的可行性。通过对不同的陶瓷球床组件结构参数和组件在堆内的不同辐照位置，进行热工流体力学设计计算，得到满足要求的入堆辐照陶瓷球床组件设计方案。     

固态陶瓷氚增殖剂释氚实验研究综述

氚自持是氘氚聚变能实现工程应用和稳态运行必须解决的关键问题之一,氚增殖剂是实现氚自持的关键功能材料.锂基陶瓷固有的热稳定性和化学惰性使其在安全性能方面具有独特的优势,被视为非常具有发展前景的氚增殖剂材料.氚增殖剂不仅要求产氚率高,还要将氚尽可能多地从陶瓷增殖剂中释放出来.本文初步梳理了国内外关于固态氚增殖剂主要释氚实验...     

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。     

混合堆产氚演示回路及其氚释放实验

本文介绍了我国第一条混合堆产氚演示回路，阐述了该回路的主要组成部分，如辐照盒、固体增殖剂、分析和监控系统等。     

在线产氚辐照装置的研制

在线产氚辐照装置是我国第一条混合堆产氚演示回路的主要组成部分。本文阐述了该装置的设计原理，结构和指标，给出了包括产氚，传热，应力在内的设计计算和研制辐照装置的关键技术。     

离线产氚实验中氚在线监测系统的研制

在增殖剂离线产氚实验中,如何准确实时测量回路中氚浓度和形态（HTO/HT）对于掌握产氚增殖剂氚释放行为,改进增殖剂的产氚性能非常重要。针对离线产氚回路中载气流量小、回路中气体量小以及载气为Ar等特点,基于流气式电离室原理研制了一套数字化氚浓度在线测量系统。该系统中电离室灵敏体积为50 mL,数字化仪表可自控获取、处理及显示回路中的氚浓度。测试结果表明,在Ar气氛下,在35 V左右,电离室即进入饱和区;该系统探测下限可达3.7×10 7 Bq/m 3,能满足离线产氚实验中氚在线监测的要求。     

陶瓷球床组件堆内辐照在线产氚物理计算分析

对陶瓷球床组件的堆内辐照情况进行物理计算分析有助于改进辐照装置的设计,完善辐照方案。按照堆内辐照陶瓷球床组件的实验技术要求,采用MCNP程序对陶瓷球床组件在不同孔道内的辐照情况进行了产氚量、产氚速率、发热量等计算。计算结果表明：采用天然丰度⁶Li的陶瓷球床组件在考验孔道内以半功率辐照能满足实验技术要求;如要采用满功率辐照,则需将组件中心位置提升至活性区中平面以上23 cm处。     

IBIL在氚增殖材料研究中的应用

在氚增殖材料辐照效应的研究中,离子激发发光(ion beam induced luminescence,IBIL)是一种高效实用的实时分析技术。本文介绍了国外MeV离子束对多种氚增殖材料的IBIL研究。研究表征了样品中的辐照缺陷特征及其演变情况,对辐照缺陷的产生机制进行了讨论,并提出辐照过程中的相关动力学模型。最后,介绍了北京师范大学串列加速器上IBIL装置应用现状,并对IBIL应用在氚增殖材料研究中的前景进行了讨论。     

Li4SiO4陶瓷球的研制

产氚包层是聚变堆的关键系统，其设计与研发是我国参与ITER计划的重要研究领域。氦冷／固态氚增殖剂产氚包层采用锂陶瓷材料，目前，国际上最为关注的是具有较为优异和全面氚增殖特性的LinSiO4和Li2TiO3等。     

CFETR氦冷固态增殖剂包层产氚性能研究及优化

氦冷固态增殖剂包层是中国聚变工程实验堆（CFETR）的3种候选包层概念之一。本文基于中国核工业西南物理研究院提出的一种氦冷固态增殖剂包层概念，通过蒙特卡罗输运程序MCNP5建立了包层三维中子学模型，探究了不同几何布置方案及结构设计参数对包层产氚性能的影响，得到了全堆氚增殖比（TBR）及极向各包层模块产氚分布，并由优化后的模型得到了包层模块核热分布。结果表明，优化后的TBR达到1.177，满足氚自持的最低要求。     

固态氚增殖剂研究进展

增殖包层作为实现可控核聚变燃料"自持"的关键,不仅能实现氚的增殖,而且起着能量转换的作用,氚增殖剂是其中最重要的功能材料。本文从材料体系的制备、性能以及改性总结了固态氚增殖剂的发展趋势。同时,基于当前的研究现状对固态氚增殖剂的发展进行了展望。     

D+注入Li4SiO4的表面化学状态及其热解吸行为

锂陶瓷氚增殖剂的氢同位素行为是聚变堆固态产氚包层关心的重要课题。本文将3 keV D⁺注入Li₄SiO₄,采用X射线光电子能谱在线分析注氘前后材料表面的化学状态,同时采用热解吸谱（TDS）实验技术,研究注氘后Li₄SiO₄中氢同位素的热解吸行为。实验结果表明：D⁺注入会改变Li₄SiO₄表面的化学环境,产生多种辐照缺陷和化学键合状态;氘滞留量和热解行为受注氘时样品的温度影响较大,可在一定程度上预测产氚包层中氚的滞留行为。