氟盐冷却高温堆氚输运特性数值研究

氚的控制是限制氟盐冷却高温堆（FHR）发展的关键问题,欲实现氚的有效控制,首先需明确氚在熔盐堆一回路中的输运行为。本文阐明了氚在熔盐堆一回路中的输运特性,包括氚的产生及存在形态的分化、石墨对氚的吸附、氚在熔盐中的溶解与扩散以及氚在管壁材料中的渗透等。针对氚在熔盐堆一回路中的输运行为,建立了数学物理模型,基于FORTRAN语言开发了适用于FHR的氚输运特性分析程序TAPAS。通过将实验数据与程序计算结果对比,说明了TAPAS程序计算的合理性和准确性。利用TAPAS对模块化移动式氟盐冷却高温堆（TFHR）中氚的输运特性进行了分析。计算表明,TFHR的初始产氚率约为5.54×10^-8 mol/s,一回路中的氚主要以T₂形式存在,腐蚀反应主要发生在热管段入口处。反应堆运行25 EFPD（等效满功率天）后,石墨吸附氚达到限值。反应堆稳态运行时,T₂向管壁表面的渗透速率可视为常数,其值为8.35 μmol/EFPD。本研究可为FHR的研究设计和辐射防护提供参考。     

氟盐冷却高温堆氚输运特性瞬态分析

氚是熔盐堆运行过程中的固有产物，具有强腐蚀性和渗透性，是限制熔盐堆技术发展的瓶颈问题之一。本文围绕氟盐冷却高温堆（FHR）中氚输运特性在事故工况下的瞬态响应开展研究，主要讨论在无保护反应性引入（URI）及无保护冷却剂入口过冷（UOC）事故下，熔盐堆一回路中的氚产率、石墨吸附量、熔盐溶解量、腐蚀与沉积反应以及氚向二回路的扩散等特性。研究发现，瞬态条件下氚输运特性较稳态时更为复杂多变，呈现出强烈的动态耦合特点，这对氚控设备的性能提出了更高的要求。计算表明，在URI和UOC事故下，氚向二回路的扩散速率均降低，不需投入额外的氚控安全设施。     

基于氢研究核石墨中氚的去除

世界现阶段有大量的退役核石墨需要处理,~3H和~(14)C为其中含量最多、需重点去污核素。对于~(14)C来说,低温(不高于700°C)低氧环境下的热处理能比较有选择性地去除核石墨中的~(14)C。基于氚是氢的同位素、与氢具有相同的物理化学特性,本研究通过对三种不同产地的核石墨中氢在350oC的吸附以及400~700oC的解吸行为,探究核石墨中氚的去污工艺。实验发现:三种核石墨的氢吸附量不同,解吸规律大致相同,解吸量随时间的变化上有差异。国产核石墨NG-CT-10、日本核石墨IG-110以及德国核石墨NBG-18的氢总吸附量分别为6.7×10-3 mL·g-1、9.30×10~(-3) mL·g~(-1)以及9.12×10~(-30 mL·g~(-1),其中化学吸附量分别为3.2×10~(-3) mL·g~(-1)、3.0×10~(-3) mL·g~(-1)和0.92×10~(-3) mL·g~(-1)。石墨对氢吸附量上的差异可能来源于三种核石墨的不同制备工艺和物理性质上的一些差异,这些差异主要来自于平均孔径、比表面积、成型工艺以及焦粒粒径上的区别;NG-CT-10有效吸附量所占比最高,表明NG-CT-10有较大量的氚吸附量。400~700oC的核石墨氢解吸实验表明:三种石墨中的氢主要是从700oC开始有效解吸,但各自相对于总吸附量的解吸量有明显区别,NG-CT-10、IG-110和NBG-18在700°C时的解吸量分别为7%、13.5%和70%。由此可得,NBG-18中的氚最易被解吸出来。根据氢在石墨中的吸附模型,700oC解吸出来的氢应该位于石墨晶粒边缘。为了解吸剩余氚,同时不影响~(14)C的有效去除,不提高热处理温度,可能需要改变解吸时的载气组分。     

高温下GH3535合金中的氢同位素扩散渗透效应分析

Flibe具有熔点低、中子性能好、沸点高等特点,是未来大型氟盐冷却高温堆的主要候选氟盐冷却剂之一,在堆芯中与中子相互作用后会导致一定量的副产物氚产生。根据哈氏N合金的成分,钍基熔盐堆核能系统(TMSR)发展了GH3535合金,作为未来大型熔盐堆的主要候选结构材料。本实验中采用GH3535合金为试样,通过使用压力差驱动原理搭建的氢同位素扩散渗透装置,试验测得了400~800℃的温度下氢气、氘气在该合金中的渗透系数、扩散系数、Sieverts常数等主要参数。实验结果表明,氢气与氘气在GH3535合金中的扩散渗透机理均属于基体扩散控制过程,扩散渗透过程中氢气、氘气的主要参数与相应温度关系均符合阿累尼乌斯公式。对于不同质量数的氢同位素原子,拟合后渗透系数和扩散系数的指前因子之比分别为1.4:1和1.2:1,扩散和渗透过程中的激活能也非常接近,符合经典扩散理论的同位素效应,可以估算得到氚在GH3535合金中扩散渗透时的主要参数大约为氢的1/3(1/2),并可能用于氚在熔盐堆中的分布计算。     

SiC薄膜的阻氚性能研究

在不锈钢基体表面用离子束混合技术沉积SiC薄膜,然后用能量为5 keV的H+对其辐照直至剂量达到1×1018/cm2,再用二次离子质谱分析(SIMS)分析H+在SiC薄膜中深度分布和正离子谱,研究薄膜的阻氢性能和阻氢机理;最后采用渗透实验对涂覆在不锈钢基体表面的SiC材料的氚渗透系数进行测试,对其阻氚性能进行验证.结果表明,在不锈钢基材表面涂覆的SiC薄膜具有良好的阻氢性能,可将氚的渗透率降低4个数量级以上,SiC薄膜的阻氢是由于氢与薄膜中的硅、碳悬挂键反应形成诸如C-H、C-H2、C-H3、Si-H、Si-H2和Si-H3引起的.     

氚在真空贮存容器材料中的吸附和渗透行为

研究了贮存氚靶约4 a和20 a的两个316 L不锈钢真空贮存容器(以下简称贮存容器)及其垫片材料对氚的吸附行为,并对氚在贮存容器材料中的渗透速率进行了测量和分析。结果表明,贮存容器外表面氚污染为几十Bq/cm2,不锈钢与陶瓷中吸附的氚活度均为106Bq/g;热解吸至1 273 K过程中,材料中99%的氚释放出来;在解吸出的氚中,陶瓷中的HTO比例高于不锈钢;贮存温度对氚靶贮存容器的渗氚速率有较大影响,夏季约为冬季的4倍。上述结果提示,氚在贮存容器材料内表面吸附后,一部分会向晶格扩散并滞留下来;另一部分则透过材料向外环境渗透,其中温度是影响氚向外环境渗透的主要因素之一。     

氚在RAFM钢表面的吸附研究

采用气相吸附法研究了室温下RAFM钢表面对氚的吸附与释放行为,并使用316L钢、1Cr18Ni9Ti钢进行了对照实验。结果表明,RAFM钢表面的氚吸附与释放性质与316L钢、1Cr18Ni9Ti钢的非常相似,相同表面状态的样品,在相同实验条件下的吸附氚量相差不超过50%。可推测,未经深度除水处理的RAFM钢暴露于氚后,表面会形成富氚层,浓度远高于基体溶解氚,厚度不大于10 μm。表面氚的形态以化学吸附和物理吸附的氚化水为主,约占90%以上。室温下RAFM钢表面吸附的氚在干燥气氛中的释放非常缓慢,但遇水会因氚-水间的同位素交换而加速释放。     

熔盐堆中氚的控制和监测

熔盐堆中氚除了从废气中排出,还能经熔盐管道渗透进入环境.氚在管道中的渗透严重影响熔盐堆结构材料的力学性质和使用寿命,同时对环境造成污染.为了减少氚对材料和环境的危害,必须对熔盐堆中的氚进行严格控制.控制氚产生和渗透的主要方法包括提高7Li的浓度、向熔盐中补充Li或Be等.对氚进行监测是氚控制的基础,能及时反映熔盐堆的运...     

钨/铜界面处氢原子与空位相互作用的第一性原理计算

钨/铜界面是聚变堆偏滤器的重要连接界面,在高热流密度和强中子辐照下会成为氢同位素渗透滞留的高速通道和捕获陷阱。本文利用第一性原理方法研究了钨/铜界面处氢原子与点缺陷的相互作用,考察了氢原子的滞留行为和空位在界面处的形成行为,分析了氢原子的优先占据位置及氢原子与空位的作用机理。结果表明：在钨/铜界面中,氢原子稳定存在于钨/铜界面中间及铜晶格中;对于空位,界面附近的铜空位不稳定,会自发移动到钨/铜界面的顶端表面,而钨空位相对稳定存在;相比于铜空位,钨空位吸引氢原子的能力更强。氢原子的存在会抑制铜空位的迁移现象,从而可能形成氢泡。     

氚在RAFM钢表面的吸附研究

采用气相吸附法研究了室温下RAFM钢表面对氚的吸附与释放行为,并使用316L钢、1Cr18Ni9Ti钢进行了对照实验。结果表明,RAFM钢表面的氚吸附与释放性质与316L钢、1Cr18Ni9Ti钢的非常相似,相同表面状态的样品,在相同实验条件下的吸附氚量相差不超过50%。可推测,未经深度除水处理的RAFM钢暴露于氚后,表面会形成富氚层,浓度远高于基体溶解氚,厚度不大于10μm。表面氚的形态以化学吸附和物理吸附的氚化水为主,约占90%以上。室温下RAFM钢表面吸附的氚在干燥气氛中的释放非常缓慢,但遇水会因氚-水间的同位素交换而加速释放。     

熔盐堆堆芯分区结构对钍燃料增殖性能的影响

熔盐堆作为第四代先进核能系统,具有在线处理和利用钍燃料等各种优势。我们主要参考法国国家科学研究院(Centre National de la Recherche Scientifique,CNRS)的相关研究,该单位对熔盐堆堆芯结构进行优化,提高其钍铀转换率。利用SCALE(Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation)大型蒙特卡洛程序针对超热中子谱熔盐堆进行堆芯结构优化。从计算数据分析,Blanket增殖区在堆芯的不同位置可以提高Blanket中的钍铀增殖率,但是并不能提高整个堆芯的钍铀增殖率。对于超热谱的熔盐堆,单熔盐石墨孔道可以提供CNRS设计几乎相当的钍铀增殖率,同时可以极大地降低慢化剂石墨内的中子通量水平,延长更换堆芯石墨周期,提高整个熔盐堆的运行经济性。     

高压氘氚气氛下不锈钢吸附氚的初步研究

本工作对于氚在不锈钢表面的吸附和解吸行为进行了初步研究.样品在n(D)∶n(T)=1∶1,230℃时,15 MPa下恒温8 h后,接着在27 MPa下恒温6 h的情况下进行了氚的吸附,测量了室温下和加热到1173 K时的解吸氚量和总吸附量.其结果如下:不锈钢的总吸附氚量是857.4 MBq·cm-2,不锈钢的解吸氚量是722.2 MBq·cm-2;在本实验的条件下,在室温和加热条件下,不锈钢所释放的氚中,化学成分主要是HTO和HT两部分,大部分以HT形式存在;不锈钢的自由氚占吸附总氚量的7.34%;不锈钢的热解吸谱存在三个解吸峰,其解吸温度分别为439、530和843K.     

用密度泛函理论研究氚在高温气冷堆核级石墨的吸附与解吸附行为

为研究氚在高温气冷堆核级石墨上的吸附和解吸附行为,本文利用密度泛函理论,采用氢原子代替氚原子的办法,通过理论计算得到了氚在高温气冷堆核级石墨上的结合能,通过模型分析得到了氚在高温气冷堆核级石墨上的吸附、解吸附机理与相应的份额,并得到HTR-10在20年寿期末各部分氚的累积量及事故工况下氚释放量的估计值。本文结果为研究估算高温气冷堆氚释放的机理提供了一条新思路。     

氢-苯乙烯体系中氢-氚同位素交换反应的热力学研究

采用6-311G全电子基函数和B3p86方法对聚苯乙烯-二乙烯基苯(polystyrene-divinylbenzene,SDB)单体之一的苯乙烯分子结构进行优化计算.根据热力学原理,计算得到SDB官能团分子氢氚取代反应在不同温度下的标准生成自由能函变、反应平衡常数及氚气和氢气的反应平衡压力比.结果表明,温度的升高不利于氢氚取代反应T2(g) SDB(H2)(s)→H2(g) SDB(T2)(s)正向进行,这与Pt/SDB疏水催化剂在氢-水同位素交换的催化反应实验过程中的氢氚取代研究结论一致.     

氚处理设备敷面材料的选择

本实验研究了15种金属和非金属材料表面对氚气的吸附、转化(为氚化物)和转移(进人体)的性能。结果表明,在所检查的7种金属材料中,氧化膜保存完好的硬铝吸附、转化和转移氚的能力较弱,氧化膜破坏后这种能力则大为增强;在8种非金属材料中,以聚四氟乙烯吸附、转化和转移氚的能力为最低,其次是聚乙烯和普通玻璃。氚处理设备应尽量选用硬铝、聚四氟乙烯、玻璃和聚乙烯作表面结构材料,或者用这些材料敷面,以减少工作人员对氚的吸收。     

核石墨的孔结构与熔盐浸渗特性研究

对于液态燃料熔盐堆而言,核石墨的浸渗问题非常重要,关系反应堆运行安全性。因此,对核石墨的熔盐浸渗的研究必不可少。核石墨是多孔材料,其孔结构决定了其浸渗特性。本研究主要针对中国科学院上海应用物理研究所的液态燃料熔盐堆项目——钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)而开展。利用光学显微镜、压汞仪以及真密度仪研究分析了4种具有代表性的核石墨的孔结构,并利用高压反应釜研究了它们在不同压强下的熔盐(氟化盐,650°C)浸渗特性。结果表明,不同核石墨的孔结构具有明显差异;核石墨的熔盐浸渗与压汞浸渗相似;石墨的孔结构(如入孔孔径、开孔率等)决定了一定压强下石墨是否会发生熔盐浸渗以及浸渗量的多少。     

ThorCon堆氚产额分析研究

ThorCon堆是一种以熔融氟盐(Na F-Be F2-Th F4-UF4)作为燃料及冷却剂、石墨为慢化剂的小型模块化熔盐反应堆。在热中子的照射下熔盐中的Be、F以及屏蔽层和石墨中的B会发生核反应产生氚。氚在高温下具有很强的渗透能力,能够影响金属构件的力学性能,减少其使用寿命。进入环境的氚在高温下易氧化为氚化水。氚化水进入人体后会形成内照射,对操作人员健康造成影响。根据产氚反应的性质及中间产物个数可将产氚反应分为三类:直接产氚反应、有中间产物的产氚反应、三裂变产氚反应。并对这三类反应分别建立相应的计算方程。计算结果表明,ThorCon堆年产氚约为5.444 g。其中Be反应产氚是最主要的氚来源,88.5%的氚来源于Be。如能降低Be含量,将大幅降低氚的产额。     

放射性核素在花岗岩上的吸附行为

综述了放射性核素在花岗岩上吸附作用的研究现状和进展。相关研究表明:(1)花岗岩的物化性质(包括形貌、化学组成及表面酸碱特性)对放射性核素的吸附有一定的影响;(2)放射性核素在花岗岩表面的吸附速率普遍较快,吸附可在较短时间内完成;(3)各种环境因素如pH值、离子强度、温度、地下水中的主要离子、天然有机质、低氧条件等对放射性核素在花岗岩表面吸附的影响因吸附质离子不同而变化各异;(4)建立在基本吸附数据基础上的表面配位模型可以用于间接探讨相应的吸附机理,拓展了研究核素迁移的思路;(5)采用先进光谱表征技术如XPS可对放射性核素在花岗岩上的吸附机理进行分子或原子水平上的论证。     

石墨炔基本性能及其在放射化学领域的应用

石墨炔作为一种新型的二维碳材料，自2010年首次合成后即得到了广泛的关注和研究。目前石墨炔在储能、催化、电化学、医药和吸附等领域已经展现出广阔的应用前景。石墨炔具有特殊三角孔洞结构和大π键特性，对不同离子具有选择性吸附潜力，在放射化学领域有着潜在的应用价值。之前的工作表明，石墨炔在镧锕分离、钍铀分离、锶铯分离中具有显著的效果。与此同时，锕系离子被石墨炔吸附后呈现单离子态。石墨炔的π体系与锕系单离子的5f电子之间发生强烈的键合作用。而5f电子的反馈作用对锕系离子的选择性分离至关重要。本文首先对石墨炔的合成、性质、应用进行简短的综述，进而对石墨炔在放射化学领域中的初步结果进行介绍，最后对石墨炔在放射化学领域的应用进行了展望。     

基于双塔式氢氦/氚氦混合气的快速分离技术

氢氦/氚氦混合气快速高效地分离与回收是产氚工艺的关键技术之一。利用液氮温度下吸附剂对氢同位素与氦吸附能力的差异,搭建了双塔式固定床低温吸附-解吸分离氢氦/氚氦的实验装置,通过该实验装置开展了不同组成的氢氦、氚氦混合气的分离实验。实验结果表明:采用双塔式固定床低温吸附-解吸法可以实现不同组成的氢氦、氚氦混合气的快速分离,分离后氦中氢的体积分数低于1.2×10-5,氦的纯度可达到99.998 8%,吸附柱的脱氚率大于97%;双塔式固定床低温吸附-解吸法的解吸氢中含有较高浓度的氦,不适于回收氢;在氚氦分离中采用固定床低温吸附柱是可行的,可作为钯膜分离器的辅助单元。