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。     

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.     

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。     

球环型产氚聚变堆概念设计研究

该研究基于球环类型的先进氚生产堆概念而设计,是聚变能发展的中间应用。与传统托卡马克氚生产堆不同,该设计利用球形环的先进等离子体物理性能和紧凑的结构特征,尽量利用真空室内的空间安置氚生产包层以减少氚泄露而增加氚增殖率,相应的堆利用因子为 40%。在二维中子学计算的基础上提出了较为完整的初步概念设计。在逐项分析的基础上对设计的风险、不确定性和后备方案也做了概括的解释。为下一步更详细具体的概念设计提供了直接的依据,具有重要的参考价值。     

聚变反应堆含氚废水处理系统的设计

以联合电解催化交换-气相色谱(CECE-GC)为技术路线基础,对聚变反应堆(International thermonuclearexperimental reactor,ITER)含氚废水处理系统(Water detritiation system,WDS)进行了总体设计和主要子系统的设计.与目前的重水提氚演示系统相比,ITER-WDS的不同之处在于不使用氢氧复合器,不采用碱性电解池而使用固体聚合物电解池(Solid polymer electrode,SPE),增加了Pd/Ag膜渗透系统进行氚的回收.     

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。     

美国对重新起动产氚堆的时间表有争议

【美国《华盛顿邮报》1991年2月25日报道】据总审计局(GAO)的一份研究报告说,美国能源部有足够的氚来满足今后若干年的核武器生产需要,可大大放慢萨凡纳河     

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。     

氚在Li2SiO3中释放行为研究

分别用堆照１０，１００ｈ的Ｌｉ２ＳｉＯ３样品，在１００－８００℃范围内用氦气载带法，研究了氚的释放规律。观察到在６００℃时，９７％的氚都已释放。研究了氚释放与温度的关系、扩散规律及加热后样品的变化。     

国外核聚变氚工艺研究简介

开发聚变能可从根本上满足人类对能源的需求。聚变氚工艺主要包括包层产氚工艺和废燃料再处理工艺,它是混合堆和聚变堆的关键技术之一。经过二十多年努力,核聚变研究取得很大进展,聚变氚工艺研究日益得到重视。这里对国外聚变氚工艺研究情况作一简要介绍。     

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。     

ITER中国液态锂铅实验包层模块氚提取系统设计

ITER中国液态锂铅实验包层模块氚提取系统(TES)是通过含0.1%H2的低压氦吹洗气流,在鼓泡器中将液态锂铅内产生的氚交换和载带出来,进入同位素分离系统连接进行氚提取.给出了该系统总体参数、工艺流程、辅助设施等设计.     

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。     

高温气冷堆闭式布雷顿间接循环中氚的来源及其影响

氚是氢的放射性同位素,影响环境和人体健康.目前,全球自然界中的氚主要来自人类的核活动.因此,需研究核反应堆中氚的来源及其影响.在高温气冷堆中,氚是一回路放射性的主要来源之一.由于高温气冷堆堆芯温度较高,不能忽视一回路中氚向外界和二回路渗透造成的污染问题.文章阐述了氚的物理和化学特性,高温气冷堆闭式布雷顿间接循环中氚的生成来源和释放途径,分析了氚对设备材料力学性能的影响,介绍了氚向环境释放的限值、控制措施及防止氚渗透的方法.     

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.     

量热法测量贮氚容器中的氚

设计建造了 1台样品池容积为1 95mm× 42 0mm的大型氚量热计。该量热计测量样品热功率下限为 6mW。样品热功率在 1 60～ 3 5 0 0mW范围内时 ,信号输出与样品热功率的线性相关系数大于0 9999。当样品热功率不低于 1 60mW时 ,精密度好于 0 2 %。它适用于非对称置样方式的样品中氚的测量。对大容积铀化学床中氚的实测结果表明 :该量热计具有较好的准确性。     

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。