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。     

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。     

快重离子束实现点火的可行性

采用蒙特卡罗方法计算了低温下C,Si,Ar,Au和U等多种重粒子在等物质的量氘氚等离子体密度1000 g/cm3、热斑直径50 m中的电子能量损失,不同点火形式下入射能量和作用时间,以及燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。通过对数据的分析研究了这些重粒子辐照实现氘、氚燃料快点火的可能性。结果表明,重粒子束流加热等离子体实现快点火理论上可行,而且有一定的优势;较重的离子加热聚变等离子体的效果更好。重粒子束流加热等离子体到聚变温度需要的束流强度在MA左右;单个粒子的能量在GeV以上;相互作用时间为ps以下。     

快点火参数窗口的计算

在入射粒子和等离子体相互作用物理学基础上,采用蒙特卡罗方法计算了常温和10 keV下,电子、氢、氘、氚和氦粒子在500 g/cm3纯氘等离子体中的能量损失、射程,以及在和燃料直径为50 m,在边缘、中心点火两种方式下的能量沉积时间,得出燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。实现快点火的边缘(中心)点火要求的最低入射束流强度:电子束为363(458) MA,质子束为187(355) MA,氘束为13.1(24.8) MA,氚束为10.9(20.9) MA,氦束为9.34(17.0) MA。单个粒子在边缘(中心)点火的最长能量沉积时间分别为电子0.036(0.078) ps,质子0.219(0.569) ps,氘0.241(0.651) ps,氚0.320(0.854) ps,氦0.228(0.592) ps,均小于燃料约束时间。数据的分析表明,入射粒子射程的末端设计在加热区,可以有效提高加热效率,同时也可以降低需要的束流强度。点火需要的最低总能量,应通过增加入射粒子的流强来实现。     

重离子束聚变装置

可以预见,作为21世纪的主要能源,氘氚聚变反应核能源,将取代目前宝贵的石油与煤炭。当前,各国核学家与工程人员正在紧张地研究各型聚变装置。用磁约束氘氚等离子体的大型托克马克装置,已取得很好的进展。     

普林斯顿TFTR装置氘氚聚变反应创新纪录

普林斯顿ＴＦＴＲ装置氘氚聚变反应创新纪录１９９３年１２月９日晚，美国普林斯顿等离子体物理实验室的托卡马克实验装置ＴＦＴＲ开始进行１：１的氘氚气体混合放电实验。第一次放电就产生了３ＭＷ的聚变功率，创造了世界纪录，次日又把这一峰值功率提高到６．２ＭＷ。这...     

测量离子温度的中性粒子能谱仪

我们知道,获得原子能主要通过两种方式,即重元素的裂变反应和轻元素的聚变反应.氘和氚的聚变反应有着无比丰富的“燃料”来源,是人类解决能源的一个理想途径.国际上从五十年代开始就进行了大量的研究工作,争取实现可控的聚变反应.然而在实践中却碰到了意外的困难,困难的基本原因之一是它必须在1亿度以上的高温下进行.这是因为原子核在互相接近时必须克服库仑斥力,即使象氘和氚这样的轻元素,也必须具备10千电子伏以上能量,才能互相接近,发生核的聚台.而且理论分析表明,必须使整个燃料的原子核都达到这样大的能量,才有可能获得能量的收益,这就…     

托卡马克中的超高真空技术

赵高真空技术对于现代托卡马克的设计运行、升级和氘－氚验证实验都起着举足轻重的作用,它对先进高密度偏滤器和下一代托卡马克工程堆也有很大的影响。同时,聚变研究的许多新概念也促使了高真空技术的革新。三十五年来,等离子体密度、杂质和壁条件的控制与真空检漏、烘烤去气、放电清洗、壁处理、氢（氘、氚）的捕获、释放和再循环、壁腐蚀和再沉积等密切地联系在一起;高性能的真空室、耐烘烤和振动的超高真空密封、先进的面向等离子体组件、有效的壁处理方法、大抽速泵组等的研制成果为控制等离子体与壁的相互作用、改善聚变三乘积（niTiτE)和验证托卡马克聚变能的科学可行性作出了重大贡献。     

弹丸实验中的粒子约束特性分析

多年来，许多托卡马克装置都在进行着氢弹丸和氘弹丸的注入实验研究，其主要目的在于探索用弹丸注入方法对将来聚变反应堆实验再加料的可行性。因为弹丸加料与气体加料相比具有使大部分加料粒子能沉积在等离子体芯部的明显优点。芯部加料可以产生更峰化的密度剖面和更高的聚变反应率，能改善能量和粒子约束特性。在JT－60，Alcator-C以及ASDEX等装置的弹丸实验中，在等离子体中心区域均获得了高度峰化的密度和压强分布，使等离子体的约束性能获得改善。     

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。     

氘－氚聚变等离子体中高能α粒子的诊断

本文对于用电荷交换方法或低杂波涨落的方法测量高能α粒子作了简短的评述，建议用核反应１３Ｃ（α，ｎ）１６Ｏ测量氘－氚聚变等离子体中的高能α粒子，并提出了一种减少杂质污染，增加穿透深度的方法。     

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     

激光核聚变简介

国际上已有二十年研究历史的可控热核反应研究工作,近几年来又显得活跃起来.除了它解决人类能源问题的诱人前景以外,这也和最近准稳态环形等离子体装置(如苏联托卡马克[]装置)及激光产生核聚变的进展相联系.轻原子核(如氘、氚的聚变反应单位质量反应物质所放出的能量,比重原子核(如铀、钍)裂变反应单位质量所放出的能量还要大,而其原料氘可以从水中大量提取.每升海水中大约含有0.03克氘,经过充分的聚变反应可以产生2.4-10.5 × 109焦耳的能量.形象地说,一升海水中提取出来的氖完全“燃烧”所放出的能量,等于几百升汽油完全燃烧所放出的能量.…     

高时间分辨的聚变反应峰值时刻测量

聚变反应峰值时刻是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的具有高时间分辨的聚变反应历程测量系统对聚变反应时间过程进行了测量,通过引入时标光获得了对应不同碳氢（CH）烧蚀层厚度的聚变反应峰值时刻数据,测量结果表明:在当前的实验条件下,聚变反应峰值时刻落后入射激光0.7~1.0 ns,增加烧蚀层厚度或氘氚（DT）燃料气压均会导致聚变反应峰值时刻与入射激光间的相对延时增加。     

HL—2A装置先进加料系统

氢及其同位素固态小球的高速注入－弹丸加料是近十几年来受控核聚变研究中发展起来的一项新技术。它是将氢及其同位素（氘、氚）冷却成毫米量级固态小球,然后以高速注入到核聚变等离子体中实现燃料在等离子体芯部区域的有效沉积,以达到加料和密度控制的目的。现阶段该技术已广泛用于核聚变物理实验研究,主要研究内容包括粒子燃料机制、输运过程及改善约束的研究,同时也作为主动探针用于研究核聚变过程的其它特征。在将来的核反应堆中,由于涉及到氚的运行,先进的加热技术是燃料循环控制的主要手段。在维持高效率加料、高密度稳态燃烧的同时要保持良好的约束必须有能胜任此目标的技术支持,因此加料技术的发展与加料物理实验的研究不仅在现代磁约束核聚变实验研究中而且在将来的聚变核反应堆运行中都占有重要地位。     

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。     

托卡马克中等离子体-表面相互作用研究现状

本文介绍了托卡马克装置等离子体-表面相互作用研究现状和发展方向。总结了表面相互作用的主要研究方面,其中包括可离子体边界层物理;燃料粒子再循环;等离子体杂质和控制;边界层等离子体诊断以及壁和材料问题。指出了未来聚变堆对杂质控制,排气和等离子体-表面相互作用的要求。     

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

利用整形激光脉冲压缩薄膜靶得到中子源

研究了整形激光脉冲对冰冻氘氚靶的压缩。通过数值分析,发现利用分步激光产生的系列激波压缩氘氚靶可以获得较高密度和较低温度的等离子体靶。初始激光强度的选取将影响到压缩后的等离子体密度,继而影响到产生中子的数量。通过调节初始激光强度可以使压缩后的氘氚靶温度处在反应率比较高的范围内,从而得到优化结果。当初始归一化激光振幅为0.5,最终为32时,压缩后的氘氚靶密度可达到18416倍的临界密度,温度达到16 keV,每焦耳入射激光能量可得到109个中子,这个中子产额比现有其他方法所得到的中子产额大4个数量级。     

热电子与聚变等离子体相互作用模拟计算的误差分析

对惯性约束聚变(ICF)实验条件下热电子辐照聚变等离子体（DD,DT）的射程岐离和散射进行了分析。结果表明,射程岐离和散射随射程增加近似呈直线增加;射程岐离和散射大小与等离子质量有一定关系。在单能热电子入射下,散射是计算结果误差的主要来源,误差在5%以下,绝对数在数十MA。入射束流的电子完全沉积在热斑中的聚焦角度,在边沿点火方式中,氘等离子体中为20.64,氘氚等离子体中为21.8;在中心加热方式中,氘等离子体中为16.36,氘氚等离子体中为17.6,在技术上相对易于实现。