6 用二次离子质谱仪（SIMS）分析聚变裂变混合堆材料表面涂层成分

在聚变裂变混合堆设计方案，拟采用液态Pb-17Li作为冷却剂兼产氚剂。由于含氚液态金属具有强腐蚀性和渗透性，钢制冷却管道内壁应有防渗屏障层。用表面渗铝氧化方法形成微米厚度的Al2O3／FeAl涂层，是有应用前景的防渗屏障层生成工艺。实验测量涂层的微观结构、表面成分及其深度分布，对于改进工艺、探索最佳工艺条件具有重要意义。     

聚变—裂变实验混合堆材料研究现状

本文介绍聚变-裂变实验混合堆第一壁初步概念设计的特点和要求,结构材料和衬瓦材料研究计划;低通量聚变中子、高通量裂变中子,a~-,P~-、C~+等带电粒子和高能电子照射前几种奥氏体不锈钢的微观结构和性能;带电粒子照射后的组织变化及肿胀行为初探;低各向异性度石墨和不同工艺条件下涂层的C~+SiC抗H~+溅射和抗电子束热震行为。500℃,1.8-4.7MeV的a~-粒子束和1.5MeV质子束分别照射至10~(18)a/cm~2和3.7×10~(19)P/cm~2,固溶退火的316SS的肿胀率为8%,20%冷加工316SS和316(Ti)SS的性能优于316LSS。     

聚变裂变混合堆中子学分析软件开发

聚变中子源驱动次临界系统具有系统结构复杂、中子能谱跨度大等特点。借鉴传统反应堆2步法的基本思想,开发适用于次临界系统设计计算的中子学分析软件——NAPTH。NAPTH的组件计算由DRAGON4程序完成,堆芯计算使用MCNP程序的多群功能完成。验证结果表明,NAPTH对IAEA ADS基准题的计算结果和其他国家的计算结果符合很好;对于压力管式聚变裂变混合堆,程序具有较高的计算精度和计算效率,适合压力管式混合堆的设计计算。     

聚变堆第一壁TiC涂层材料研究(英文)

介绍了TiC涂层的化学气相沉积工艺,TiC涂层材料的电子束热冲击实验和热疲劳试验。在温度为1100℃,CH_4流量为0.36L/min,H_2流量为1.16L/min的工艺条件下,得到了致密的TiC涂层,且沉积速率达0.7/μm/min,并给出了涂层厚度与工艺参数之间的经验关系式。在高功率密度(最大值达226MW/m~2,作用0.6s)电子束热冲击下,TiC涂层从基体(石墨、钼、316L不锈钢)脱落,且316L不锈钢基体被熔化、蒸发。在900℃到-246℃之间的热循环实验下,TiC/316L不锈钢表现出极差的抗疲劳特性,仅在2次热循环之后,就有大量TiC涂层从316L不锈钢基体脱落;虽然TiC/石墨的涂层中有大量网状裂纹形成,但是,在200次热循环之后,TiC涂层与基体仍结合很好;TiC/钼有很好的抗疲劳特性,在200次热循环之后,材料仍没有任何损伤。     

聚变裂变混合堆燃耗计算及燃料成本分析

基于轻水冷却的压力管式混合堆,采用压水堆卸载的乏燃料以及天然铀氧化物陶瓷燃料,建立混合堆包层的换料方案,详细计算了包层中子学性能随燃耗的变化情况,计算结果表明,包层在维持3000 MW热功率输出的同时,可以保证氚自持(氚增殖比TBR>1.20),而每5 a仅需向包层添加80 t左右的重金属燃料。基于建立的平衡循环计算了包层采用不同燃料时的单位发电燃料成本。结果表明,采用乏燃料和天然铀时的单位发电燃料成本分别为1.82×10-3、1.35×10-3$/(k W·h)。     

聚变-裂变混合堆第一壁动态二维热应力计算

由于聚变—裂变混合堆D—T周期性燃烧,使第一壁的温度随时间呈周期性变化,且与壁负荷相应的温度循环范围很大,以至产生严重的热应力。为使第一壁更好冷却,第一壁采用了有肋片的结构,但在第一壁和肋片的连接处温差会加大,这就比一般结构的第一壁造成更大的热应力。鉴于以上两点,计算和研究第一壁热应力,对解决聚变—裂变混合堆工程问题是十分必要的。     

我国聚变堆结构材料表面阻氚涂层的研究进展

阻氚涂层是聚变堆实现氚自持及氚安全的关键科学与技术问题之一。我国通过国家磁约束聚变能发展研究专项依托国内优势单位部署了阻氚涂层基础问题及工程化技术研发工作。本文介绍了国内外聚变堆结构材料表面阻氚涂层研究进展,重点评述了近几年我国在阻氚涂层的材料选择、制备技术及阻滞氢渗透机制三个科学技术问题的研究进展,提出今后的研究方向。目前我国阻氚涂层材料类型以氧化物涂层为主,涂层制备工艺技术在不断优化和更新。Al2O3/FeAl阻氚涂层的电化学沉积铝(ECA)、粉末包埋渗铝(PC)及热浸铝(HDA)等方法的工艺处理规模及涂层阻氚性能在国际上均相对领先。发展了研究阻氚涂层阻滞氢渗透作用机理的方法,将通常基于Fick定律的表象研究方法向原子级方法前推了一步。未来需在考虑涂层制备工艺与基体材料成分、性能的关系及其在复杂形状结构件的适用性基础上,开发长寿命、高阻氚性能的阻氚涂层材料及制备工艺。     

聚变-裂变混合能源堆球模型参数敏感性分析

在聚变-裂变混合能源堆球模型基础上,使用蒙特卡罗方法中子学程序对中子源、铀水体积比、产氚区等相关参数进行了中子学的敏感性计算。分析了各参数对混合能源堆能量放大倍数M和氚增殖比TBR的影响,并总结其基本规律,为开展进一步的混合能源堆概念设计提供了重要参考。     

球床包层聚变—裂变混合堆热工安全分析

球床包层混合堆与板状元件包层混合堆相比较，前者在核燃料生产和安全方面可能具有更多的优越性。本应用ＴＨＥＲＭＩＸ程序和辅助程序对我国开发的托卡马克堆芯氮气冷却球床包层聚变－裂变合堆的包层进行了热工计算。计算中考虑了不同的燃料球材料及稳态，卸压和断流事故工况。计算结果表明，只要选用合适的燃料球材料和设置适当的控制保护系统，具有快速卸料罐的托卡马克堆芯氦气包层聚变－裂变混合堆的概念设计在安全上的可行的。     

聚变-裂变混合能源堆一维计算模型燃耗分析

聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和以天然铀为燃料、水为冷却剂的次临界包层,主要目标是生产电力。利用输运燃耗耦合程序系统MCORGS计算了混合能源堆一维模型的燃耗,给出了中子有效增殖因数k_eff、能量放大倍数M、氚增殖比TBR等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。本文给出的结果可作为混合堆中子输运、燃耗分析程序校验的参考数据,为混合堆概念研究提供了基础数据。     

中国聚变堆材料研究(英文)

概述了中国在聚变堆材料研究方面的活动。现已研制的或正在研制的有多种结构材料、氚增殖材料和面对等离子体材料。在辐照效应、相容性、等离子体与材料相互作用、等离子体破裂期间的热冲击、氚的产生、释放与渗透以及中子在铍和铅中的倍增等方面,都已进行了系统的研究工作。文中给出部分实验结果。     

聚变裂变混合发电堆水冷包层热工水力学设计分析

一种以能量倍增为目标的聚变裂变混合发电堆(FDS-EM)概念已被提出,FDS-EM初步设计为可以产生约1.0 GW的电功率,并能实现氚自持。本文对FDS-EM水冷包层进行了热工水力学设计与分析。设计采用了压水堆的成熟技术,并给出了典型的热工设计参数,通过对典型参数下包层的数值模拟分析,得出了温度场和应力场分布,初步证明了设计的工程可行性。     

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。     

聚变裂变混合发电堆水冷包层中子学设计分析

主要针对聚变裂变混合发电堆FDS-EM水冷包层的能量倍增因子M和氚增殖率TBR等中子学参数进行优化计算。FDS-EM包层主要设计目标是在氚自持的基础上获得约1 GW的电功率,并且尽可能长时间连续运行不换料。通过初步设计分析给出一个使用核废料(压水堆卸出的废料钚、锕系加上贫铀)作为裂变燃料,能够实现氚自持、能量倍增因子约为90等设计目标,且连续运行至少10年不换料的中子学方案。     

聚变-裂变混合堆冷管段大破口失水事故分析

将非能动堆芯冷却系统（PXS）应用于聚变-裂变混合堆,使用RELAP5对混合堆一回路、部分二回路和PXS进行了建模,对冷管段双端剪切断裂大破口失水事故进行了瞬态计算和分析研究。计算结果显示：破口发生后出现两次燃料温度峰值,均发生在外包层,第1次峰值温度发生在约11 s,为938.2 K;第2次峰值温度发生在约50 s,为608.7 K。两次燃料温度峰值均低于燃料U-10Zr的熔点,在可接受范围内。随着瞬态过程的深入,安注箱、堆芯补水箱及安全壳内储水箱的冷却水开始注入包层,使内外包层的坍塌液位开始回升,最终重新淹没堆芯。表明PXS在冷管段双端剪切断裂大破口失水事故下能保证混合堆堆芯的安全,将其应用于聚变-裂变混合堆是可行的。     

聚变-裂变混合堆次临界能源包层结构的热-力耦合分析

探讨了一种新型聚变-裂变混合堆次临界能源包层的有限元建模方法。应用ANSYS Workbench软件建立了该次临界能源包层的3D结构模型,并对该模型进行了稳态热分析、热-力耦合分析,获得了包层各零件的应力分布及变形分布,分析了包层各零件的强度、刚度,利用热-力耦合分析找到了该次临界能源包层的薄弱环节。计算结果表明,该包层满足强度、刚度要求,为该次临界能源包层的设计和改进提供了理论依据。     

在中国核能发展中聚变裂变混合堆成本与安全的优势(英文)

从经济和安全角度建立了一种中国核能系统发展规模的优化模型,确定了优化的目标函数,计算和讨论了包含混合堆的中国核能系统的三种发展模式。在与系统外无裂变材料交换的前提下,采用平滑的发展模式,可以展平钚贮存量在核能体系中的分布,减少核能系统的潜在危险,提高投资效益。结果表明,这种优化不仅是必要的,而且还可以在成本和安全方面得到明显的收益。     

托卡马克氦冷板状状件包层聚变-裂变混合堆安全分析

本文对以托卡马克为聚变装置、氦气冷却板状元件包层的聚变-裂变混合堆进行了稳态、卸压和全厂断电断流的热工分析。文中给出设计参数、HYBRID 程序计算的结果和对概念设计的安全评价,并提出一些改进设计的建议。     

长寿命放射性废物在聚变-裂变混合堆中燃烧处理的技术可行性研究(英文)

提出了分别用于锕系元素转化(氮化物燃料或合金燃料包层)和裂变产物转化(以Pu作中子倍增剂的包层)的聚变-裂变混合堆的概念设计。为评估系统的性能,进行了中子学和热工水力学计算。结果表明,在现有或近期能达到的等离子体物理实验参数的堆芯条件下,所研究的包层在中子壁负荷为1 MW/m~2,负荷因子为80％时经1年运行可以转化裂变产物~(90)Sr装料的17％或锕系元素装料的23％。因而,此系统能分别燃烧大约40个3GW(t)的压水堆所产生的~(90)Sr废物或65个3GW(t)的压水堆所产生的锕系废物。     

聚变驱动次临界堆双冷嬗变包层材料活化计算与分析

对聚变驱动次临界堆 (FDS Ⅰ )包层进行了材料活化计算与分析。利用多功能中子学程序系统VisualBUS1 .0及多群数据库HENDL1 .0 /MG进行中子输运计算 ,以获得包层各个功能区的中子注量率能谱 ;在此基础上 ,使用欧洲活化计算程序FISPACT及IAEA聚变活化数据库FENDL/A 2 .0分别对停堆初期包层不同功能区的剂量率水平和衰变余热水平、停堆后期结构材料与氚增殖剂 /冷却剂的活化性能及其杂质的控制要求进行了计算及分析。