FEB聚变实验增殖堆氚投料量及氚回收的研究

运用三维ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ程序ＭＯＲＳＥ＿ＣＧＴ，计算了变实验增堆ＦＥＢ满功率运行１０ｄ后外侧包层各区中的氚浓度、运行１天后的内侧包层各区中的氚浓度及运行１ＦＰＹ后Ｂｅ球中的氚投料量，设计了ＦＥＢ堆现场氚的分布流程图。采用组合于燃料净化系统和低温分馏法从等离子体排出气体中回收氚，讨论了从液态锂中回收氚的几种方案用于ＦＥＢ的可行性。     

大容量贮氘氚铀床的研制

为了满足重水提氚中大量氘氚气体的安全贮存与转运，设计并加工了大容量氘氚铀床并对其进行了贮氘氚性能的测试。     

Pt-PTFE疏水催化剂净化含氚空气中的氚

为对含氚空气中的氚进行净化处理，研制了Pt-PTFE疏水催化剂，并采用一套实验流程对该催化剂对氘的催化氧化效果进行考察研究。     

“氚坑深度”和“氚坑时间”

裂变堆中的氙-135中毒效应是由于裂变产生的碘-135经由β衰变产生氙。135，后者吸收中子的截面很大，如停堆时剩余反应性不够，就要经过一段“碘坑时间”才能恢复到原来停堆前的反应性后才正常工作起来。与此类似却有所不同的一个全新的概念，“氚坑深度”和“氚坑时间”首次被我们引入到聚变堆研究领域，它表明为了实现“得失相当”，起动一个聚变堆所要求的最少氚储备和运行时间。“氚坑深度”和“氚坑时间”与具体的氚回收方案、提取氚的工艺过程、堆部件材料中的氚扣留量、增殖剂中不可回收的氚份额、泄漏到堆大厅的包容惰性气体氦中的份额以及氚自然衰变等等有关。     

混合堆FEB—E粒子抽除和氘氚回收系统的概要设计

实验混合堆FEB依靠偏滤器排出粒子及其携带的能量。排出的粒子包括聚变反应产物α粒子、等离子体表面相互作用产物杂质以及没能产生聚变反应的氘氚燃料粒子等。FEB－E粒子抽除和燃料回收循环系统的任务是抽除上述氦灰、杂质以及大量的没能产生聚变反应的氘氚燃料粒子等燃烧废气,以能实现有效的堆芯等离子体纯度控制和密度控制;同时将排出废气中没能产生聚变反应的氘氚燃料粒子分离、纯化和回收,即实现氘氚工艺处理。     

氘氚燃烧等离子体的热不稳定性计算

由于氘氚反应率与离子温度有很强的依赖关系，氘氚燃烧等离子体是热不稳定的。讨论了描述稳态氘氚燃烧等离子体功率平衡方程的非线性特征。利用打靶方法，可以求得态温度分布和关于温度微扰方程的本征值。可是，由上述方法得出的平衡解会与随时间变化方程在ｔ→∞时的解不一致，这是一类未解决非线性数学问题的一个典型例子。     

高性能自持燃烧的氘氚等离子体

在等离子体密度分布一定的情况下，从电子、离子的能量输运方程出发，对常规剪切和中心负剪切位形下高性能自持燃烧的氘氚等离子体进行了研究.常规剪切下采用与能量约束改善因子H有关的Bohm热传导系数，中心负剪切下采用一个与磁剪切有关的Bohm-gyro-Bohm混合型的热传导系数，并考虑了α粒子反常扩散和动态反馈加热对氘氚自持燃烧的影响.研究结果表明，常规剪切下当H≥3时，才有较大的能量输出，当H接近4时无须动态反馈加热氘氚就能获得自持燃烧；在中心负剪切位形下，等离子体的运行性能更高，有更高的能量输出，一旦氘氚达 关键词： 高性能等离子体 氘氚自持燃烧 中心负剪切     

3keV氘离子在氚增殖材料Li2TiO3中的理化行为研究

在ITER固态实验包层设计中，固态氚增殖材料的性能是决定包层产氚能力的重要因素。钛酸锂（Li2TiO3）是非常重要的一种固态增殖材料，为了理解氢的同位素在Li2TiO3中的理化行为，本工作采用XPS和TDS实验设备开展了用3keV D2^＋离子源注入Li2TiO3材料的研究.通过实验，发现了4种氘的热解析峰，它们分别来源于表面吸附的氘离子，表面吸附的氘离子形成的D2O，材料体内E’-center俘获的氘离子和材料体内以O—D化学键态形式存在的氘离子。由于中子辐照损伤更容易在材料体内形成，E’-center俘获的氘离子和O—D键这两种化学态对我们理解氚的化学行为更加重要。Ti-2p电子态的X射线光电谱表明，随着氘离子通量增加，Ti^4＋转换成了Ti^3＋。从O-1s电子态谱看出，随着氘离子通量增加，有一个峰消失了。关于这个现象，还需做更进一步的实验研究。     

FEB—E氚循环系统的计算机模拟

对聚变实验增殖堆（ＦＥＢ）工程概要设计的氚燃料循环构造了一个动态子系统模型，研制了模拟氚燃料循环系统的计算机程序ＳＷＩＴＲＩＭ，计算运行一年后１０个子系统中的氚投料量和整个推系统总的氚投料量，这对预示起动一个聚变热功率的１５０ＭＷ量级的实验增殖堆所需的最少初始氚投料量有参考价值，计算结果表明，要求的最少初氚贮备量除了与燃料气体净化系统和同位互分离系统中氚的平均逗留时间有关外，还与包层液态锂中提取氚     

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聚变堆第一壁表面和PFC材料内的氚滞留量、堆系统总的氚投料量多高？在启动和运行的开始阶段的氚坑深度,氚坑时间的大小是多少？在TBM氚增殖包层内固体氚增殖剂中的氚能否高效率地被载氚气体带出来并且以高效率地提取回收？能否找到某些新机制解决这些问题是决定实现ITER的预期目标和最终实现聚变能的实际运用成败的关键问题。本文第(Ⅰ)部分回答前面两个问题,在下期第(Ⅱ)部分将进行创新的探索性研究并且提出某些减少氚滞留量和改善氚提取回收效率的新方案,例如：基于氘饱和的海绵效应;第一壁表面建立氘和铍的伴同沉积层;基于在低频外电场作用下载氚气分子和硅酸锂颗粒电极化旋转催化同位素交换速率增强提高载氚气提取氚效率“SPB方法”等等。     

氘氚冰籽晶的形核行为

为了实现激光约束核聚变(ICF)的自持聚变目标,对靶壳内氘氚冰的质量提出了极其苛刻的要求,冰层内表面和靶壳的同心度要求大于99.9%,冰层内表面均方根粗糙度(RMS)优于1μm.高质量的冷冻氘氚靶建立在靶壳内高质量氘氚冰层的前提之上.单晶是冰层的最好形态,在靶壳内获得氘氚冰籽晶是基础条件.本文通过采用逐渐降低升温速率的台阶控温方法,开展了充气微管内保留籽晶的研究,揭示了充气微管内保留籽晶的形核机理,实验结果表明,利用充气管口可保留稳定、单一的籽晶,在相同的过冷度下,当氘氚籽晶c轴方向与充气管轴向平行时,生长速度较c轴垂直于充气管轴向时的速度慢约1—2个量级,为获得高质量的籽晶从而形成高质量的氘氚冰提供了参考和支撑.     

FEB—E氚循环系统的计算机模拟

对聚变实验增殖堆（ＦＥＢ）工程概要设计的氚燃料循环构造了一个动态子系统模型，研制了模拟氚燃料循环系统的计算机程序ＳＷＩＴＲＩＭ，计算运行一年后１０个子系统中的氚投料量和整个推系统总的氚投料量，这对预示起动一个聚变热功率的１５０ＭＷ量级的实验增殖堆所需的最少初始氚投料量有参考价值，计算结果表明，要求的最少初氚贮备量除了与燃料气体净化系统和同位互分离系统中氚的平均逗留时间有关外，还与包层液态锂中提取氚     

聚变堆氚系统设计中的一些重要问题研究(Ⅱ)

在文献[1]中,计算了FEB-E 聚变堆PFC 材料内的氚滞留量、堆系统总的氚投料量、启动运行开始阶段的氚坑深度和氚坑时间大小。这里将讨论在ITER 的TBM 氚增殖包层内固体氚增殖剂中的氚如何高效率地被载氚气体带出并且以高效率地提取回收。本部分将进行创新的探索性研究并且提出某些减少氚滞留量和改善氚提取回收效率的新方案,例如：基于氘饱和的海绵效应;第一壁表面建立氘和铍的伴同沉积层;基于在低频外电场作用下载氚气分子和硅酸锂颗粒电极化旋转催化同位素交换速率的增强载氚气提取氚效率“SPB 方法”。     

托卡马克氙氚聚变堆中氚的二倍频ICRF加热物理分析

本文从准线性理论出发，导出了ＩＣＲＦ二倍频加热时对磁面平均的吸收功率密度的近似解析表达式，并指出了这一近似的适用范围。采用冷等离子体近似计算波色的色散关系，利用ＦＰＰＡＣ程序求解二维时间相关Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程分析了氚的二倍频加热。对于典型的氘氚聚变反应堆参数，计算了等离子体各组分温度随时间的变化及氚的分布函数随时间的演化，并分析了氚的非表氏分布及相关的氚氚聚变反应率。     

托卡马克氘氚聚变堆中氚的二倍频ICRF加热物理分析

本文从准线性理论出发，导出了ＩＣＲＦ二倍频加热时对磁面平均的吸收功率密度的近似解析表达式，并指出了这一近似的适用范围。采用冷等离子体近似计算波的色散关系，利用ＥＰＰＡＣ程序求解二维时间相关Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程，分析了氚的二倍频加热。对于典型的氘氚聚变反应堆参数，计算了等离子体各组分温度随时间的变化及氚的分布函数随时间的演化，并分析了氚的非麦氏分布及相关的氘氚聚变反应率。结果表明，对于反应堆规模的等离子体来说，ＩＣＲＦ加热只在温度不太高时才导致明显的非麦氏分布及氘氚聚变反应率提高；在等离子体温度提高到约１０ｋｅＶ后，反应率不再有明显的提高     

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。     

方管锂铅磁流体氚增殖剂中的氚输运模拟

利用COMSOL Multiphysics软件实现磁场、导电流体、氚输运的多物理场耦合,研究了在强磁场下3维方管中锂铅流体内的氚输运及其分布。通过计算得到,锂铅流体在平行磁场方向的导电壁侧形成了射流,而在哈德曼壁侧及流体的芯部区域流动滞缓;射流的强对流效应使得在导电壁侧具有较低的氚浓度,而在哈德曼壁面侧及流体芯部具有较高的氚浓度累积,形成了不对称的氚浓度体分布。     

LaNi4．25Al0．75合金吸放氚性能

在真空系统中对熔融法制备的LaNi4.25Al0.75合金的氘活化特性、吸放氚p-C-T曲线和不同温度下的吸放氚速率，以及材料吸附氚气与解析氚气的纯度进行了研究，以考核该合金氚操作与贮存性能。     

FEB-E 氚泄漏分析

用Ｓｉｅｖｅｒｔｓ定律和ＳＷＩＴＲＩＭ编码研究了聚变实验增殖堆的工程概要设计ＦＥＢ－Ｅ在正常工作状态和事故状态下的氚泄漏问题,分析表明,在这两种状态下ＦＥＢ－Ｅ包层液态锂中氚的分压都不高,氚泄漏的主要危险来自偏滤器的抽气系统的气体漏失。     

钛吸／放氚的热力学特性

在金属测试系统上进行了钛（Ti）吸收和解吸氚（T）的热力学初步实验研究。加热氚化铀床，放出一定量氚气，记录平衡压力；加热样品至预定温度后恒温；将主管道中的氚气引入样品室，记录引入氚气后的平衡压，由系统中气体压力变化计算样品的吸氚量，以测定氚化过程中的p-C-T曲线。而解吸p-C-T曲线则是将接近饱和的样品温度恒定，记录平衡压力。关闭样品室阀门，用铀床回收管道里的气体后抽真空，然后再打开样品室阀门，让钛解吸，记录平衡压力，计算钛氚原子比。如此循环直至氚接近完全解吸。