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。

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。

聚变裂变混合堆的氚工艺和氚增值剂研究

本文简要介绍聚变堆氚工艺和氚增殖剂研究的现状和我所在混合堆氚增殖剂和氚工艺研究中取得的成果，并对这一领域的继续发展提出了一些建议．

316L不锈钢表面Al_2O_3镀层中氚的扩散渗透行为

在３１６Ｌ不锈钢表面，用磁控溅射方法镀２－３μｍ的Ａｌ２Ｏ３膜。实验表明．这种膜与基体相容性好，且具有抗氧化、抗热冲击、抗辐照、低活性等特点，氚在其中的渗透率低。在６０４－７７３Ｋ温度下，氚在此种材料中的渗透率比在基体材料中低４－６个数量级。此种材料可用作为氚容器材料，用于氚的生产、分离和净化工艺中，还可以用作聚变堆氚工艺中氚靶包壳材料。

低水平氚化水去氚技术

针对低水平氚化水的排放问题，20世纪70年代已开始了这方面的研究，并逐渐成为氚废水处理领域的研究热点。由于传统的同位素分离法在这方面的应用受到限制，所以各国科学家相继提出了膜技术和树脂交换、富集等方法，并进行了初步可行性研究。

钯及钯合金的氚老化效应研究

金属钯具有良好的抗毒化性能，氢同位素效应很强，被广泛应用于氢同位素处理与氚工艺中。钯的氚工艺应用研究中，对钯的氚老化性能尤其关注，有关氚老化钯的吸放氢热力学、老化钯力学、＾3He释放行为等均有报道。在相关文献汇总分析的基础上，对氚老化钯材料贮氢性能［1，2］，钯及钯合金膜中＾3He分布、＾3He释放行为［3］进行了研究。

钯合金膜分离器级串氢同位素分离

基于钯合金膜分离系数测定的实验结果,设计了单级钯合金膜氢同位素分离器,测试了分离器对H-D混合气体的分离系数,建立了该分离器在理想级串下达到一定分离要求所需的分离级数和分离膜面积,以及分离过程中氢同位素丰度变化的计算模型。结果表明,在673K,分流比为0.1时,该分离器对54.3%H2-45.7%D2的分离系数为1.54;单级分离器的分离系数是级串分离系统级数的决定性指标,提高单级分离器的分离系数可以减少分离系统的级数,提高分离系统的效率。

氚化学与工艺

氚作为一种重要的资源,在国防科技和国民经济领域有着广泛的应用。伴随着国防科技发展需求的不断提高,中国工程物理研究院在氚化学与工艺研究方面取得了一定的成就,研究领域涉及到氚的整个生命周期,包括生产、分离、储存、应用及氚废物治理等。本文重点介绍了中国工程物理研究院近年来在金属氚化物、储氚材料、氢同位素分离技术、含氚重水提氚关键技术和ITER相关氚技术等方面的研究进展。

LaNi_(4.7)Al_(0.3)材料的吸、放氘行为研究

研究了 Ｌａ Ｎｉ４７ Ａｌ０３材料的吸、放氘的行为。给出了吸附容量、保留量、等温曲线、温度与平衡压的关系曲线。计算了热力学参数 Δ Ｈ 和Δ Ｓ，为 Ｌａ Ｎｉ４７ Ａｌ０３材料的应用提供了理论依据。

新型Ti-Zr-Ni-Pd准晶吸氘特性研究

回收氚在氚工艺中非常重要。氚回收材料通常要求储量大、吸氚快。早期，在氚工艺中通常使用Zr-Co合金进行氚回收。近来，Ti-Zr-Ni准晶由于储氢量高［1，2］的优势被人们关注，不过高放氢温度使其储氢应用大受限制。然而，吸氢快［2，3］的另一特点使得准晶有望用作氚回收材料。

化学与化工学科研究进展

1 核化学与核材料化学 1．1 氚化学与氚工艺 利用XRD对氚化钛和钛基合金氚化物在时效过程中的晶体结构演化进行了原位连续测量，结合衍射理论对所获得结果进行了分析。研究表明，在贮存过程中其特征峰随时效时间的变化均表现出3个效应，即峰位移动、峰展宽和峰强改变。氚化钛和钛基合金氚化物在贮存过程中衰变导致的氚量减小不会引起γ→α的相变，晶格畸变均表现出各向异性的变化。

用热导检测器法分析氢同位素

在氚化学和氚工艺研究中，大多数都是采用氘-氕（D-H）体系来模拟氚-氘（T-D）体系。这可以尝试通过热导检测器（TCD）来在线分析氕-氘混合物中的氘含量，以省去频繁的取样操作，提高工作效率，并加深对实验过程物理机理和规律的认识。与常规的气相色谱分析方法不同，TCD不需要配置低温分离柱即可直接对氢同位素进行分析，因此分析速度快，效率高。2002年Fukada等在氢同位素分离实验中，采用TCD获得了流出过程在100s内完成的氘丰度随时间变化的流出曲线。显然，这是常规分析手段所矛法办到的。

国防领域放射分析化学

放射分析化学在国防领域中一直发挥着十分重要的作用,研究方向主要包括气体和固体样品放射化学分离技术,α、β、γ能谱及同位素质谱放射性测量技术,与氚工艺相关的产氚陶瓷制备及性能、氢同位素化学、聚变燃料循环等。本文简要介绍了中国工程物理研究院在上述方向的部分基础性研究工作,并展望了放射分析化学研究的前景。