GDT聚变中子源氚燃料循环初步设计与分析

基于GDT概念的聚变中子源具有等离子体易实现稳态运行、结构简单紧凑、技术实现难度较低、易于升级与维护、氚消耗量低等特点,其建成后可作为聚变结构材料或部件的测试平台。由于氚在真空室内的燃烧份额很低,所以有必要为该装置建立安全而高效的闭式氚燃料循环系统,以提高氚燃料的经济性。本文首先分析GDT在氚燃料循环方面的特点,然后参考最新的ITER和DEMO氚燃料循环设计,旨在建立匹配的氚燃料循环系统,以满足GDT聚变中子源稳定运行的燃料需求。根据物料注入方式、氚处理系统功能、循环回路等方面的不同,分别提出了三套氚燃料循环方案GDT—TFC1、TFC2和TFC3,并分析它们在系统氚盘存量、氚投料量方面的差异。从氚燃料经济性的角度考虑,为该装置氚燃料循环方案的选取提供了一定的参考。

激光聚变靶中氘氚燃料的测量

用Si(Li)-S85低能X-射线谱仪系统测量简单爆推靶中氘氚燃料的含量。用内充气正比计数装置刻度了此谱仪系统的探测效率。其效率与玻璃球成份和壁厚有关。本系统的效率为10~5量级。根据氚含量及燃料的D/T比值,推算出靶内含氘量及氘氚燃料的总气压,并与气泡法测得的总气压进行了比较。最后对实验结果进行分析和讨论。

我国聚变堆氚增殖循环技术最新研究进展与展望

氚增殖循环(也称外循环)是实现聚变堆氚燃料自持的关键。氚增殖循环由增殖剂产氚、提氚、氢同位素分离、氚分析检测等多个单元组成,各单元之间相互关联,缺一不可。依托国家重点研发计划“CFETR增殖包层氚提取与测量工程技术”项目,近期在多个氚增殖技术研究中取得了新进展。主要包括:在中国绵阳堆上在线演示了增殖包层百居里级在线产氚与提氚;开展了1∶1规模的增殖包层氚提取与氢同位素分离氢氘模拟实验,动态提取效率达99.1%,停堆提取效率达99.95%,氢同位素分离浓缩倍数达104倍,回收效率达99.26%;开展了基于水精馏的含氚水处理中试试验,贫化大于2 000倍,浓缩大于20倍。基于此,对未来聚变堆的氚工厂设计和建设进行了展望。

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。

LiAlO_2陶瓷小球的堆外放氚行为

将LiAlO2陶瓷小球置于裂变反应堆中辐照,采用热解吸技术研究该类产氚材料的堆外放氚特性,考察了升温速率、载气组分、催化活性元素和提氚温度对氚释放行为的影响;采用电子自旋磁共振（ESR）实验技术研究了辐照缺陷的顺磁特征。结果表明：LiAlO2中氚的扩散速度慢,热解吸活化能高,氚释放主要分布在750~1000K;表面氢同位素交换反应贡献大,释氚形态受载气条件的影响较大,当氦气中添加H2时,会增大HTO转化成HT的比例;中子辐照会在LiAlO2中诱生F^＋,O^-和O2^-等缺陷色心,其退火湮灭行为与氚释放过程存在一定关系。

金属有机框架CPL-1填充柱气相色谱分析氢同位素

金属有机框架(MOFs)材料CPL-1的比表面积大、孔径均一,在低温条件下对氢同位素具有良好的量子筛分效应,是气相色谱固定相潜在的应用材料。采用CPL-1填充制备了长0.5 m、内径1 mm的微孔填充柱,借助单晶Al_2O_3颗粒间隙构建了色谱载气流通路径,在低温条件下探索研究了CPL-1填充柱的氢同位素分析性能。结果表明,在77 K时CPL-1对H_2和D_2的吸附量接近4 mmol/g,优于MnCl2/γ-Al_2O_3和γ-Al_2O_3,CPL-1填充柱在取样量0.25~2 mL范围内对低浓度氢同位素样品的检测具有良好的线性关系,检测的相对误差小于4%。CPL-1填充柱具有线性范围宽、重复性好、准确度高等优点,在氢同位素色谱分析中具有潜在的应用价值。

氦中痕量杂质气体气相色谱检测分析方法研究

为实现聚变堆氘氚燃料工艺气中痕量杂质气体组分的快速检测分析,需建立特殊的高精度在线气相色谱检测分析方法。以高纯氦作为载气,在不同的色谱柱温度和载气流速控制下,通过分子筛毛细管柱和PLOT-Q柱进行分离,采用放电氦离子化检测器(DID)进行检测,对氦中含量为1、10以及100ppm的杂质标准气体进行检测分析。结果表明:在柱温为40℃、流速为15～20mL/min实验条件下,分子筛柱在160s内能够实现H2、O2、N2、CH4和CO全部分离,且柱效较高,响应值的重复性较好,H2和O2之间的分离度高于1.5,实现了完全分离;在柱温为40℃、流速为20mL/min时,PLOT-Q柱分离CO2组分效果最佳。

氦中痕量H_2、D_2组分的高精度气相色谱分析

为满足聚变堆氘氚燃料循环工艺气体中痕量氢同位素组分的特殊检测分析要求,需建立快速、高精度的在线分析方法。针对氦中痕量H2、D2组分,本工作以高纯氦为载气,在液氮温度下,使用自制改性Al2O3毛细管柱进行分离,放电氦离子化检测器进行检测。结果显示,氢氘组分的检测限不高于1×10-8,保留时间不高于180s,氢氘组分色谱峰峰面积响应值的相对标准偏差不大于1.0%,分离度大于1.0。本方法具有分析灵敏、快速的优点,为聚变堆包层在氘氚燃料注入系统和氢同位素分离系统中微量氚的安全分析与精确计量提供了一种有效的测量技术。

MnCl_2改性γ-Al_2O_3毛细管填充柱气相色谱分析氢同位素

针对常规气相色谱填充柱分析稳定氢同位素的柱效低、峰宽大、保留时间长等问题,采用MnCl_2改性γ-Al_2O_3填充的石英毛细管柱开展了系统性柱效分析及氢同位素分析技术研究。研究结果表明,使用MnCl_2对γ-Al_2O_3进行改性后,可大大改善单纯的γ-Al_2O_3表面有序度、孔结构和吸附性质,并将正氢(o-H_2)和仲氢(p-H_2)峰洗脱在单一谱峰区域内。制备的长1.0 m、内径0.53 mm的石英毛细填充柱与热导检测器(TCD)级联测试,在体积浓度1至10 m L/L范围内有较好的线性关系,对于低浓度样品检测的相对误差不大于5%。H_2、HD和D_2的保留时间可分别缩短至39、46和60 s,检出限可分别降低至0.046、0.067和0.072 m L/L。毛细管填充柱较常规填充柱具有峰形尖锐、相邻组分分离度高、保留时间短、检出限低等优点,可用于低浓度氢同位素快速测量及氢同位素在线分析。

氢气在多层球壳中扩散过程的模拟计算

从Fick第二定律出发,推导了氢气在多层球壳中,扩散过程的浓度分布表达式,即氢气浓度与扩散时间和扩散距离的关系。每层中,在一定的扩散时间内,一定量的氢气的扩散浓度与扩散深度之间近似为抛物线关系,说明渗透物沿着聚合物链段膨胀的方向进行扩散。在同一位置,一定量氢气的浓度,随着时间的延长而增加,说明渗透物使聚合物链段发生膨胀,自由体积增大,扩散路径增多,扩散系数随着浓度的增加而增大。

氧化锆检测器在微量氢同位素色谱分析中的应用研究

针对氦气与氢同位素气体热导性差异较小的问题,以氧化锆原电池为气相色谱检测器、改性γ-Al_2O_3为填充柱,在液氮温度(77K)下系统研究了氧化锆检测器测量氢同位素的影响因素,对氦气中微量氢同位素气体进行了分离测试。结果表明,氧化锆检测器的最佳工作温度约为700℃,在载气流速为60mL/min条件下,仪器测量的相对标准偏差小于1%,该方法对H2的检测下限可达15ppm,对D2的检测下限可达40ppm,样品检测的相对误差小于5%。以上结果表明,氧化锆检测器可用于氦气中微量氢同位素的分析测量。

美国驾驭聚变能研究的需求与战略规划

为制定美国未来20年聚变能发展的全面战略规划，2009年6月，美国能源部聚变能科学局（0FES）主办了磁约束聚变能科学研究需求研讨会（MFES ReNeW）。研讨会针对ITER,燃烧等离子体、建立可预测的高性能稳态等离子体、等离子体与材料界面、驾驭聚变能及优化磁场结构等5个研究主题，进行了充分的研究和讨论，最终形成了肱约束聚变能科学研究的5个主题下的18个研究要点。5个主题之一的驾驭聚变能研究，其研究目标是：确定在反应堆环境下，实现有把握地设计和建造强大可靠的、可将聚变能转换为可用能源的系统（包括氚燃料的自满足供给）所面临的研究需求。本文基于研讨会的研究结果，对驾驭聚变能研究主题所涉及的聚变燃料循环、能量导出、材料科学、安全与环境及可靠性、可用性、可维护性、可检测性（EAMI）等5个层面及3个研究要点进行简要的介绍和阐述。

氘-氚聚变先进燃料循环

在多种核聚变中，氘－氚聚变是最容易实现的一种，氚是不稳定核素，有一个燃料循环的安全性和经济性问题。作为例子，分析了托卡马克（ＴＯＫＡＭＡＫ）装置中的氘－氚燃料循环过程，降低包层中氚的滞留量和渗透量是保证氚安全的主要方面。可流动带包壳球床方案能给出满意的解决办法，可以在包层内低温产氚，在包层外贮存设备中高温在线取氚。

聚变-裂变混合堆设计研究

利用MCNP5和MONK9A程序对聚变驱动裂变混合堆进行了初步研究,在等离子体第1壁外侧依次包覆长方体形状的燃料组件和产氚组件,形成裂变堆芯包层和产氚区。对分别装载贫铀、天然铀、贫铀MOX和天然铀MOX等4种燃料的混合堆进行了研究分析,其中,后两种燃料在整个运行寿期内的功率放大倍数和氚增殖比满足设计要求。通过随燃耗变化的同位素含量分析,初步探讨了混合堆的铀-钚燃耗循环策略。