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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。     

水冷陶瓷增殖剂包层氚输运分析

基于2015版本中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂(WCCB)包层模块设计特点,建立详细的氚输运分析模型,对不同包层模块(包括不同的增殖区)、载氚气回路、冷却剂回路和蒸汽发生器中的氚输运进行分析。结果表明不同包层模块氚的浓度、渗透量、滞留量均不同,全堆所有包层模块增殖区中氚的滞留量为6.62×10-2g,结构材料中氚滞留量为2.01g,载氚气和冷却剂回路中氚滞留量分别为4.03×10~(-4)g和0.19g,氚通过蒸汽发生器的渗透量为20mg?y~(-1),冷却剂回路中氚渗透到管道外的量为0.1mg?y~(-1)。     

“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。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆氚燃料循环系统氚盘存量与氚自持初步分析

为研究氚自持条件,建立了Z-FFR氚分析模型,基于理论方程和氚平均滞留时间方法进行计算,得到稳态运行时排灰气处理系统、氚增殖提取系统、同位素分离系统、水去氚化系统的氚质量流分别为52.30,25.40,81.30,3.60 g/day,对应的氚盘存量为52.30,25.40,8.13,1.80 g。同时以氚质量流推导出氚自持判断条件,分析了设计参数能够满足氚自持要求,同时获得了燃烧效率、氚增殖率、提取效率与氚自持的互补关系,三者作为关键参数相互依存,于临界值、设计值、理想值之间分析了氚的自持情况。     

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。     

氘氚化锂分解残渣中微量氚的回收

氘作同位素交换气对除氚后的新鲜氘氚化锂残渣[主要成分是硅锂化合物和二氧化硅，渣中含氚约为0．9443mg／g(渣)]中的微量氚进行氚的计量与回收，为氘氚化锂残渣中氚的回收提供技术支持。     

氢同位素交换催化剂制备及性能

聚变反应堆或聚变裂变混合堆氚工厂中,氘氚燃料回收和含氚废水、废气处理过程中,涉及液态水、汽态水和甲烷与氢气间的同位素交换反应,催化剂是实现这些反应的关键。     

等离子体排灰气处理技术研究进展

等离子体排灰气处理系统是聚变反应装置氘氚燃料循环系统中极为重要的环节。该系统的主要功能是从反应后的排灰气中回收剩余的氘氚燃料,并处理壁材料净化、系统维护等非正常运行模式以及分析与辅助系统中产生的含氚杂质气体。介绍了国际上聚变堆等离子体排灰气的组成和主要处理工艺,简述了钯膜分离、膜反应及催化反应-膜分离、电解反应、分解反应及氧化-分解等各关键单元技术的基本原理和研究进展,并进行了分析和评价,提出了目前国内在该领域需要开展的研究工作。     

共生聚变堆

本文提出一种以发展聚变动力为主的共生式途径。它以当前正在出现的这一代聚变物理试验堆为起点,分成两路进行,一路是纯聚变堆,另一路是单个的氘发生器,可能是聚变裂变混合堆,它给纯聚变堆补充所需的氘。这两类堆长期结合共生,配合发展.形成一系需氚的纯聚变堆和一系供氚的混合堆,统一优化,保持氚自给,消耗氘锂和快中子裂变材料,提供净输出功率。 对纯聚变堆方面,放弃了传统的氚自给这一基本要求。能量的有效回收成为设计:的主要前提。优化的结果,用12—15厘米厚的含锂的水作为中子慢化回收能量的介质,附带地还能再生所耗氚的80％。不足的20％稍多的氚,将长期地由一个具有低Q聚变芯并依照生产氚的要求来改型并优化的一比一聚变裂变堆来补充。共生的两个堆,尺寸都较小,在等离子体物理和工程上有一些优点。对共生堆和具有相等总输出功率的,一般氚自给聚变堆作了比较,表明在动力经济上有相当大的收益。 简单地讨论了几种有关的概念。     

随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法(DEM)生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学(CFD)模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到:球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。     

ICF靶丸内燃料的气液两相组分组成分析

 在质量守恒的基础上,运用拉乌尔定律和道尔顿分压定律,对以摩尔分数比为3∶3∶4比例充入到ICF靶丸内的氘气、氚气和氘化氚三元系的热核燃料,在工作温度为22,24,26,28和30 K下处于相平衡时气液两相的组分组成进行了分析讨论。结果显示:工作温度为22 K时,随着充气压强从1 MPa增大到5 MPa,液层中氘气的摩尔分数从0.251增大到0.290,氚气的摩尔分数从0.350减小到0.310;气泡中氘气的摩尔分数从0.322增大到0.365,氚气的摩尔分数从0.278减小到0.241。充气压强为5 MPa时,随着工作温度从22 K提高到30 K,液层中氘气摩尔分数从0.290减小到0.261,氚气的摩尔分数从0.309增大到0.341;气泡中氘气的摩尔分数从0.365减小到0.302,氚气的摩尔分数从0.241增大到0.298。     

SWITRIM程序的研制和使用概况

第一个计算氚投料量在FEB聚变堆各个子系统中的分布及其随时间变化行为的数值模拟程序包SWITRIM研制成功。近5年来的使用情况表明其合理性得到国外同行的充分认可。取得了一些有创新性的成果。例如，我们在国际上首次指出聚变堆起动过程中的一种“氚坑深度和氚坑时间”新现象，它有些类似裂变堆中的“碘坑深度和碘坑时间”现象，但又是非常不同的问题。作者不但提出而且通过数值模拟解释了这种“氚坑深度和氚坑时间”新现象。以FEB设计为例子求解出FEB堆的氚坑深度为317g，氚坑时间为240d，氚储备子系统中低谷时间为起动后第10天。这意味着我们能预测聚变堆起动过程中的最少氚储备量是多少？氚储备子系统中何时是最少氚储备的时刻？实现氚的得失相当的有效运行时间要多长？     

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     

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     

SWITRIM��������ƺ�ʹ�øſ�

研制出了用于计算氚投料量在FEB聚变堆各个子系统中的分布及其随时间变化的数值模拟程序包SWITRIM。通过近5年的使用，表明其运行良好、计算结果可靠。用SWITRIM数值模拟研究了聚变堆起动过程中的“氚坑深度和氚坑时间”新现象。简单介绍了SWITRIM程序包的组成和用户使用说明以及最新的运用等。     

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。     

钛（锆、铀）-氢体系氢同位素效应

钛和锆是两种性能优良的贮氢材料,在氚工艺中常作为膜材料贮存氚气或氘氚混合气,而铀通常作为氘氚原料气的气源材料使用,因此,这几种金属材料与氢作用时的同位素效应对产品性能将有很大的影响,有必要进行深入研究。     

FEB—E氚泄漏分析

由于氚本身非常昂贵而且氚的泄漏将造成环境污染,因此氚的控制对D－T加料的聚变堆来说是非常重要的问题。通常规定聚变堆环境周围总的氚泄漏率应＜3．7×10^11Bq·d^-1。在聚变实验增殖堆FEB－E设计中采用高压氦气冷却,液态锂作氚增殖剂,因而氚与增殖材料之间具有强的化学亲合力。在正常工作条件下,即温度低于680℃,由于氚的气相分压强很低,氚渗透泄漏几乎可以忽略不计,所以从包层泄漏极少。但是由于FEB－E氚燃耗率太低（2.08%),因而氚的通过量较大,氚泄漏主要发生在以下过程：从等离子体抽出气体的氚处理系统中（氢同位素低温分馏系统）漏失;氚从第一壁、偏滤器靶板渗透到氦气冷却剂,再由冷却剂工作流质的漏失导致氚的泄漏;氚植入和渗透到第一壁和偏滤器靶板材料及冷却剂管道内,再由这些部件的材料损坏、更换和报废过程中引起的氚漏失;从液态锂中提取氚的过程中氚增殖剂本身的直接损失引起的氚漏失;从等离子体加料系统（弹丸制作过程）的氚漏失。本文运用SWITRIM编码和Sieverts'定律,从氚在液态锂中的浓度以及溶解率常数随温度的变化关系中得到液态锂中氚的分压、再由氚压强的平方根（或一次幂）差定律计算氚向氦冷却剂中的泄漏,再假设一定的工作流失损失率,对FEB－E氚系统的氚泄漏进行分析,为环境安全评估提供必要的数据。在事故状态下的氚泄漏主要考虑当包层温度失控时氚从液态锂中析出向冷却剂渗透,再由于冷却剂工作流质的漏失导致氚的泄漏。     

增殖剂球床载气体流动特性

增殖剂球床是聚变堆或混合堆产氚包层可选结构之一,准确把握增殖剂球床中载带气体的流动特性有助于提高对球床载氚过程的认识并优化包层设计。采用离散元程序PFC3D模拟增殖剂小球的填充行为,在球床内不同位置随机截取不同尺寸的控制体,利用布尔运算中的"差集"得到孔隙范围,建立孔隙分布的三维几何模型,进一步划分网格并用计算流体力学(CFD)方法求解,得出控制体上单位长度的压降以及单元体内的速度分布特征,计算结果发现载带气体速度分布与γ分布很类似,且只要选取恰当的控制体,通过计算流体力学方法可以较好地分析整个球床孔隙内流体的流动,有利于进一步研究载氚及相关过程。     

CFETR水冷包层第一壁模块中等离子体注入氚输运有限单元分析

采用多物理场计算程序COMSOL Multiphysics,构建了一维氚输运有限单元模型,并与文献中氢同位素在钨中的滞留实验数据进行模拟验证。基于经过校验的一维模型,并考虑Soret效应,对中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷包层第一壁进行了二维氚分析计算。模拟结果表明,氚在单个典型包层第一壁中的总滞留量为0.12mg,进入冷却剂中的总渗透量为0.12mg•yr^-1。若不考虑Soret效应,氚在RAFM钢中的滞留量将增加8.80%,渗透到冷却剂的量增加65.97%。由此可见,Soret效应对于氚的渗透和滞留具有显著的意义。