CLAM钢中氕氘的渗透与去除

低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）是聚变堆产氚包层的优选结构材料。氢同位素在结构材料中的扩散渗透特性关系到产氚回收率、燃料循环及运行安全。本工作对国内研发RAFM钢之一的CLAM钢进行了气体驱动的氘渗透实验，得到573～873 K温度范围内氘的宏观溶解度S（mol/(m³•Pa^0.5)）为0.264exp(-22 447/RT)，扩散系数D（m²/s）为1.38×10^-7exp(-17 271/RT)，渗透率Φ（mol/(m•s•Pa^0.5)）为3.64×10^-8exp(-39 718/RT)。还进行了氕氘气体混合物的渗透实验，确认了渗透同位素效应；探索了钢中溶解氘的真空热释放去除。     

氢和氘在FLiNaK熔盐中的渗透扩散行为

利用氢同位素在熔盐中的扩散渗透特性测试系统,本研究对FLiNaK熔盐中氢和氘的渗透扩散行为进行了研究。首先,通过对比分析熔盐侧充氢和金属侧充氢的实验结果,发现通过熔盐侧充氢的实验可更准确地反映FLiNaK熔盐中氢的渗透扩散行为及其性质。其次,通过熔盐侧充氢实验,获得了550-700°C时FLiNaK熔盐中氢的扩散系数与溶解度常数,两者可分别表述为:D_(H_2)=1.62×10~(-5)exp(-48.20×10~3/RgT)m~2·s~(-1)和K_(H_2)=6.18×10~(-5)exp(-11.14×10~3/RgT)mol·m~(-3)·Pa~(-1)。最后,通过对比分析金属侧充氢和金属侧充氘的实验结果,发现同位素效应并不影响FLiNaK熔盐中氢的渗透扩散行为及其性质的研究,从而为氢和氘代替氚进行FLiNaK熔盐中氚行为性质的研究提供实验基础。     

氚老化对钯钇合金膜氢渗透性能的影响

在聚变堆燃料循环系统中,钯合金膜将被用于氢同位素与杂质气体间的渗透分离以及含氚杂质中氚的催化回收。长期连续的氚操作将使合金膜体内因氚衰变而累积3He,产生氚老化效应。本工作研究了贮氚老化对Pd8.5Y0.19Ru（原子百分数）合金膜的氕、氘渗透性能的影响。研究结果表明：对于膜内体氦浓度He/M为0.042的氚老化膜,在573～723K温度范围内,氕、氘渗透率被严重降低,膜的氕氘渗透分离系数则有所提高。     

氢在FLiNaK(LiF-NaF-KF)熔盐中的渗透行为

FLiNaK(LiF-NaF-KF)熔盐在高温熔盐堆或聚变堆的应用中面临着氚扩散渗透的问题。研究H2在FLiNaK熔盐中的渗透行为,能够为FLiNaK熔盐中氚的控制提供依据。氢同位素在熔盐中的扩散渗透特性测试系统主要用于测定熔盐中氢同位素的渗透行为,以获得氢同位素在熔盐中的扩散系数和溶解度常数等相关参数。通过该系统,本文对FLiNaK熔盐中H2的渗透、扩散和溶解等行为进行了研究。结果表明,受实验装置和实验方法的限制,H2在FLiNaK熔盐中的渗透主要以氢原子(或离子)的方式进行。在500-700°C时,FLiNaK熔盐中H2的扩散系数与温度的关系满足:DFLiNaK-H=1.12×10-4exp(-66.40×103/RgT)(m2·s-1),其扩散活化能为66.40kJ·mol-1。而对于FLiNaK熔盐中H2的溶解常数,其与温度的关系可表述为:KFLiNaK-H=2.1×10-5exp(-0.94×103/RgT)(mol·m-3·Pa-1/2)。     

氘-氚分馏系数法确定氚的电解回收率

天然水中氚含量很低,一般采用电解浓缩-液闪计数法进行测量。电解水样时,氚的电解回收率可由水样的浓缩倍数和氚分馏系数来确定。而电解过程的氚分馏系数和氘分馏系数存在一个近似的关系,即lnβ=ηlnα。采用氚标准水进行电解实验,可得到氚分馏系数,采用光腔衰荡激光同位素法测量电解前后的氘含量可以获得氘的分馏系数。电解条件为低碳钢-镍电极装置,以Na2O2为电解质,电解过程温度为0.5℃。实验得到η为1.27。在电解水样时,可根据lnβ=1.27 lnα可得到氚分馏系数,从而获得本批次每个水样的电解回收率。     

用氢同位素估算氚在熔盐堆结构材料中的渗透

熔盐堆产生的氚在高温下透过结构材料管壁进入大气环境。为降低此危害,研究氚在堆结构材料中的渗透过程十分必要。针对熔盐堆常用的结构材料Hastelloy N、GH3535、Hastelloy C230、Hastelloy C276,本研究采用压力差驱动法,在400-700 oC和5-40 k Pa的试验条件下,获得了氕、氘的渗透系数,并初步估算氚在该结构材料中的渗透。结果表明:氕、氘在镍基合金中的渗透通量与气体压力的平方根成正比,渗透系数随温度增大,与温度倒数的关系符合阿伦尼乌斯公式;氕、氘在成分相似的GH3535和Hastelloy N中渗透系数接近,与其它两种合金材料中渗透系数都在一个数量级内,在相同温度下两者渗透系数比值接近1.4,符合经典扩散理论;在400-700 oC内,氚在4种镍金合金中渗透过程的指前因子为1.1×10-7-1.6×10-7 mol·m-1·s-1·Pa-1/2,活化能为59-62 k J·mol-1。     

氦中痕量H2、D2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180 s,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。     

氚纯化装置的研制及性能验证研究

铀是一种传统的贮氚材料,在铀粉瓶中贮存的氚会不断衰变产生氦气,导致使用时氚的纯度下降,影响标记化合物产率。本研究设计了氚纯化装置,对装置进行安装调试,并对该装置中的铀床进行活化,利用该装置测定铀吸收氘单质气体的p-t曲线及在400~550℃范围的解吸氘气体的p-t曲线。应用调试好的系统对长期存放贮氚铀粉瓶中的氚进行纯化。结果表明,设计的氚纯化装置系统密封性好,经氦质谱检漏测定值为7.8×10~(-13 )Pa·m~3/s;利用该装置测定氘的吸附饱和曲线,氘完全解吸时铀对氘的吸附量为240mL/g。验证实验回收了久置铀粉瓶中的氚为1.44×10~(13 )Bq,利用氦气体积推算出久置铀粉瓶中含氚质量百分率为53.1%。实验结果证实了系统纯化氚的可行性,可为氚标记化合物制备提供可靠的氚源。     

氘/氚化铀热解吸的动力学同位素效应

在高真空金属系统上测定了氘/氚化铀在恒容体系和225～400℃范围内热解吸的压力-时间等温线,应用反应速率分析方法计算了各自在不同温度下的速率常数。随着温度的升高,热解吸反应的速率增大,反应的平衡压随之增高。由速率常数计算得到氘/氚化铀热解吸的表观活化能分别为(26.3±0.4)kJ/mol和(27.7±0.6)kJ/mol。活化能数据显示,氘/氚化铀热解吸反应的动力学同位素效应不明显。     

氘和氚标记ST—1435的制备

在氘或氚化溶剂中,16-次甲基-17α-乙酰氧基-19-羧基-孕甾-4-烯-3、20-二酮(Ⅰ)通过脱羧反应制得[10-~2H]ST-1435或[10-~3H]ST-1435(Ⅱ)。氘标记ST-1435经质谱分析表明有1—3个氘原子掺入到ST-1435分子中去,其中m/e 371(M~+)的氘掺入率为22.6％。氚标记ST-1435的比活度为52.5TBq/mol,放化纯度>95％。     

PdY合金管束的氢渗透性能

PdY合金膜因其具有良好的透氢性能与机械性能,有望应用于聚变堆氢同位素纯化工艺。基于PdY合金膜的服役参数及氚安全要求,有必要研究在低氢压下PdY合金膜的氢同位素渗透特性,为后续设计氢同位素纯化组件提供数据支撑。本工作基于直管外压式PdY扩散器,研究了低氢压（<50 kPa）、工作温度为350~450 ℃条件下,厚度为80 μm的PdY合金薄膜管的氢渗透速率与膜两侧压力、工作温度的关系。结果表明,低氢压下,PdY合金膜的氢渗透规律符合J=Φpⁿ_H-pⁿ_Ld,且压力指数n等于0.9,渗透速率控制机制主要表现为表面过程控速;提高工作温度使得合金膜的渗透通量增大,且温度对扩散过程的影响更大,使渗透过程更加趋于表面控速。此外,计算了该工作温度范围下的渗透系数,并通过阿伦尼乌斯公式推导求得渗透活化能约为24.54 kJ/mol,渗透常数Φ₀为5.86×10^-6 mol/(m·s·kPa^0.9)。低氢压下,该厚度膜的渗透系数可由5.86×10^-6e^-24.54/^(RT) mol/(m·s·kPa^0.9)进行计算。     

草酸铈成核和晶体生长动力学

为研究草酸盐沉淀动力学,本研究用草酸铈代替草酸钚对成核和晶体生长动力学进行了研究,并提出了一种在测定成核动力学时确定稀释倍数的有效方法。在25~50 ℃时,在硝酸铈浓度为0.030~0.400 mol/L、草酸浓度为0.250~0.800 mol/L、母液草酸浓度0.100 mol/L的条件下,分别研究了草酸铈成核和晶体生长动力学方程。结果表明：成核时稀释倍数对成核速率的测量影响很大,定义的稀释过饱和比S_n值为1.65时得到的稀释倍数最佳。草酸铈成核过程可分为均相成核和异相成核,成核速率方程可表示为：R_N=A_N0·exp［-E_a/RT］·exp［-B_N/(ln S)²］,其中均相成核时：A_N0=3.86×10³⁰/(m³·s),E_a=67.4 kJ/mol,B_N=55.3;异相成核时：A_N0=3.10×10²⁰/(m³·s),E_a=19.1 kJ/mol,B_N=11.5。晶体生长速率方程可表示为：G=k_g0·exp［-E_a/RT］·δ^g(t),其中k_g0=4.81×10⁵ m/s,E_a=80.3 kJ/mol,g=2.09,草酸铈的晶体生长受界面反应过程控制。该装置和沉淀动力学测量方法可用于其他草酸盐成核和晶体生长动力学的研究。     

Fe-Al/Al2O3涂层表面氧化膜的掠入射X射线衍射研究

本文采用掠入射X射线衍射（GXRD）α-2θ扫描模式,进行了掠入射角α为0.1°～5°范围内Fe-Al/Al₂O₃阻氚涂层表面氧化膜的X射线衍射实验。结果表明,随α的增加,表面氧化膜中Al₂O₃相与Fe₃Al相对应的衍射峰强度绝对值增强;α的增加加深了分析区域的深度,引起Al₂O₃相的相对含量下降,导致Al₂O₃相对衍射峰强度降低。对Fe-Al/ Al₂O₃涂层表面氧化膜的掠入射X射线衍射而言,较佳的掠入射角是0.25°,此时对应Al₂O₃相的衍射峰相对强度最高。经比对PDF卡片,表面氧化膜相结构为暂态γ-Al₂O₃（200）。在此基础上建立了GXRD分析Fe-Al/ Al₂O₃涂层表面亚微米氧化膜的相结构组成的快速无损检测方法。     

低活化铁素体/马氏体钢CLF-1氢氘的渗透行为

低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）作为聚变堆结构材料中最有前景的候选材料,其氢同位素渗透行为备受关注。采用氢同位素气相驱动渗透的方法,对中国低活化铁素体/马氏体钢CLF-1的氢同位素渗透行为进行了研究,研究了温度、气体压强、样品表面状态等因素对其渗透行为的影响。结果表明：氢、氘在RAFM CLF-1钢中渗透扩散过程为体扩散控制,渗透率与温度的关系式均遵循Arrhenius关系;在实验测试过程中,由于样品表面发生氧化现象和缺陷捕获造成H₂和D₂渗透实验中渗透通量出现下降的现象。     

中国HCCB-TBM氚增殖单元三维多物理场耦合氚输运模拟分析

中国氦冷固态实验包层模块（HCCB-TBM）将在国际热核聚变实验堆（ITER）上安装测试,以验证其氚增殖能力与核热移出能力。HCCB-TBM中的氚输运与流体的传热和传质、氢同位素交换、结构材料的SORET效应密切相关。考虑以上物理因素,基于商业软件COMSOL完成了HCCB-TBM氚增殖单元多物理场耦合的氢同位素输运模拟分析。分析结果表明：球床吹洗气体中含氢有助于抑制氚渗透损失;当吹洗气体含氢浓度为4.66×10^-2 mol/m³时,产生约13.2倍的氚渗透阻止效应。     

氖中微量组分气相色谱测量分析方法与验证

为测量聚变堆固态氚增殖剂堆内辐照氚增殖剂的产氚速率，除用常规电离室之外，本研究建立了Ne载气的高精度气相色谱在线检测分析方法，通过测量产氚回路中的氦产生量，验证系统中产生的氚量，从而为聚变堆固态包层产氚包层增殖剂材料辐照产氚性能提供一种新的产氚速率测量验证方法。本工作通过研制含有三个检测器、五个色谱柱的气相色谱分析系统，建立了Ne中微量⁴He、H₂及杂质组分的色谱检测分析方法，并完成了实时在线检测的验证实验。结果表明，研发的色谱分析系统可实现高纯Ne中4He、H₂及杂质组分的检测分析，H₂、⁴He检测限可分别达到1.0×10^-6、5.9×10^-6，各组分含量及峰面积的相对标准偏差(sr)均小于5.0%(n=6)，线性相关系数(r²)均大于0.99，说明检测方法重复性好。根据Ne中多组分气体的在线检测验证实验可知，单时段和多时段内的测量重复性均较好，可为辐照产氚考核系统中的产氚速率验证提供分析手段，进而为正式入堆得到辐照数据和氚衡算提供技术支持。     

The kinetics and mechanism of the uranium-water vapour reaction — an evaluation of some published work

The published results of Grimes and Morris on the rate of the uranium-water vapour reaction which were obtained using interferometry have been recalculated using the best values derived from the literature for the complex refractive indices of uranium and uranium dioxide (3.1–3.91 for uranium and 2.2-0.51 for uranium dioxide). The kinetics have been described by Haycock's model and the linear rate constant is given by K₁ = 1.3 × 10⁴P^1/2_H2O exp( − 9.0 kcal/RT )mg U/cm² h, where P_H2O is the water vapour pressure in torr or K₁ = 3.48 × 10⁸r^1/2 exp( −14.1 kcal/RT)mg U/cm² h, where r is the fractional relative humidity, R is the gas constant and T is the absolute temperature.

A mechanism is described which accounts for the observed dependence of the rate of uranium-water vapour reaction on the square root of the water vapour pressure.     

氟盐冷却高温堆氚输运特性数值研究

氚的控制是限制氟盐冷却高温堆（FHR）发展的关键问题，欲实现氚的有效控制，首先需明确氚在熔盐堆一回路中的输运行为。本文阐明了氚在熔盐堆一回路中的输运特性，包括氚的产生及存在形态的分化、石墨对氚的吸附、氚在熔盐中的溶解与扩散以及氚在管壁材料中的渗透等。针对氚在熔盐堆一回路中的输运行为，建立了数学物理模型，基于FORTRAN语言开发了适用于FHR的氚输运特性分析程序TAPAS。通过将实验数据与程序计算结果对比，说明了TAPAS程序计算的合理性和准确性。利用TAPAS对模块化移动式氟盐冷却高温堆（TFHR）中氚的输运特性进行了分析。计算表明，TFHR的初始产氚率约为5.54×10^-8 mol/s，一回路中的氚主要以T₂形式存在，腐蚀反应主要发生在热管段入口处。反应堆运行25 EFPD（等效满功率天）后，石墨吸附氚达到限值。反应堆稳态运行时，T₂向管壁表面的渗透速率可视为常数，其值为8.35 μmol/EFPD。本研究可为FHR的研究设计和辐射防护提供参考。     

The effect of coatings on deuterium retention and permeation in aluminum 6061-T6 APT tritium production tubes

The accelerator production of tritium project will utilize spallation neutrons incident on thousands of ³He gas filled metal tubes to produce tritium by way of the exothermic ³He(n,p)³H reaction. Tritons with energies up to 192 keV and protons with energies up to 576 keV are directly implanted into the tube walls. To minimize tritium retention in the tubes and permeation into the coolant surrounding the tubes, it is desirable to have the implanted tritium migrate back to the inner surface of the tubes and rapidly recombine to be released as T₂ and HT. Aluminum alloy (Al 6061-T6) is the primary candidate material for fabrication of the tubes. Aluminum alloy samples implanted with deuterons and protons to fluences as high as 3×10²² D (and p)/m² were studied. Deuterium retention was measured by mass spectrometry during thermal desorption. Approximately 10% of the implanted deuterium was retained. Copper, nickel and anodized coatings on aluminum alloy were studied as possible methods of reducing retention and permeation of the tritium. In these experiments, the Cu and Ni coatings reduced the retention significantly, whereas retention increased in the anodized coated sample.