氚化学与氚分析进展与展望

氚是聚变堆的重要燃料，氚的问题是制约聚变能源发展的瓶颈问题之一。氚化学中的科学技术问题是解决涉氚工艺的基础，氚分析测量是氚操作中获取氚信息的主要途径。本文综述了近年来氚化学与氚分析方面的研究进展，从氚与材料相互作用、涉氚材料中的氦行为、氚的氢同位素效应、氚的辐射生物效应，以及氚的分析测量方法五个方面对研究进展进行了分析，并对聚变堆中所面临的挑战进行了展望。     

量热法测量贮氚容器中的氚

设计建造了 1台样品池容积为1 95mm× 42 0mm的大型氚量热计。该量热计测量样品热功率下限为 6mW。样品热功率在 1 60～ 3 5 0 0mW范围内时 ,信号输出与样品热功率的线性相关系数大于0 9999。当样品热功率不低于 1 60mW时 ,精密度好于 0 2 %。它适用于非对称置样方式的样品中氚的测量。对大容积铀化学床中氚的实测结果表明 :该量热计具有较好的准确性。     

氚光源及其研究进展

氚光源是利用放射性核素氚制成的自发光装置,其使用寿命长、光强稳定、无需电源,是黑暗条件下小视野照明的优良光源,在军事和民用领域具有良好的应用前景。传统的玻璃管型氚灯是应用广泛的氚光源。由于氚气体对β射线的能量自吸收、荧光粉蔽光性和玻璃管有破裂可能等缺点,限制了氚灯性能的进一步提高。本文介绍了氚发光装置的发光机理、发展历史、安全评价以及国内外应用现状;讨论了传统玻璃管型氚灯亮度的影响因素,分析了目前氚灯存在的问题,介绍了国内外氚光源研究改进工作,并展望了国内氚光源研究与应用前景。     

氚灯亮度的Monte-Carlo模拟研究

本文基于氚灯物理模型，运用Monte-Carlo方法研究氚气压强和氚灯几何条件对氚灯亮度的影响，得到与文献实验值吻合较好的理论结果。该方法为氚灯工程设计和优化提供了有力的手段。     

钯的氚老化效应

钯因其显著的氢同位素效应、抗毒化及良好的固氦特性,已广泛应用于氚工艺中。随着工作时间的延长,钯中衰变产生的³He将影响其应用性能。文章就氚老化对钯的p-C-T曲线、力学性能、微观结构的影响,及³He在钯中的微观行为进行了综述。氚老化导致坪压降低、坪斜增加、氚尾增加、力学性能下降。氚衰变产生的³He聚集形成氦泡,导致晶格膨胀,且在钯中形成自间隙原子簇、位错、位错环等结构缺陷。     

核设施氚气态释放后植物中有机氚的研究进展

从核设施释放到大气中的氚主要以氚化水（HTO）和氚化氢（HT）两种形式存在,最终以HTO的形式进入植物体。植物体中的氚有两种化学形态：自由水氚（TFWT）和有机氚（OBT）,其中OBT又被细分为交换性OBT和非交换性OBT。与TFWT相比,OBT在植物体内有较长的滞留时间和较大的剂量转换因子,在氚的食入剂量中OBT占主要份额,因此有必要对植物中的OBT展开全面研究。本文就植物中OBT的定义、交换性OBT和非交换性OBT的确定、OBT的形成过程及其影响因子、OBT预测模型的研究进行综述,同时对今后植物中OBT应重点研究的内容进行了简单分析,以期为植物中OBT的研究提供一定的参考。为准确评价OBT造成的辐射剂量,今后对OBT的研究中应着重从测量、夜间形成机理和环境中的行为等方面进行。     

离线产氚实验中氚在线监测系统的研制

在增殖剂离线产氚实验中,如何准确实时测量回路中氚浓度和形态（HTO/HT）对于掌握产氚增殖剂氚释放行为,改进增殖剂的产氚性能非常重要。针对离线产氚回路中载气流量小、回路中气体量小以及载气为Ar等特点,基于流气式电离室原理研制了一套数字化氚浓度在线测量系统。该系统中电离室灵敏体积为50 mL,数字化仪表可自控获取、处理及显示回路中的氚浓度。测试结果表明,在Ar气氛下,在35 V左右,电离室即进入饱和区;该系统探测下限可达3.7×10 7 Bq/m 3,能满足离线产氚实验中氚在线监测的要求。     

Tritium Safety-Related Studies at TPL of JAERI

Activities regarding tritium safety technology in the Tritium Process Laboratory (TPL) at Tokai Establishment of Japan Atomic Energy Research Institute are reviewed. Research and development of a new tritium removal system is being carried out by using a gas separation membrane which enable to make the ITER atmosphere detritiation system more compact and cost-effective. Techniques of gas flowing calorimetry and laser Raman spectroscopy are applied to develop new tritium accountancy methods. Studies of tritium-material interaction, such as plasma material interactions, radiochemical reaction of tritium in gas phase, radiolysis of tritiated water, and waste processing are being carried out under ITER/EDA and U.S.-Japan collaboration. Tritium release experiments for research of tritium behavior in confinements and environment and demonstration of safety related components are planned.     

核电厂氚的产生和排放分析

研究核电厂中氚在堆芯和主冷却剂中的产生方式,以及进入环境的途径、形态和排放量,是核电厂辐射环境影响评价非常重要的内容之一。本文通过分析压水堆核电厂中的主冷却剂系统、辅助系统、三废系统和厂房通风系统的运行模式,结合国际上的运行经验参数,研究主冷却剂中的氚排放进入环境大气的途径和形态。研究结果表明:理论计算分析结果与电厂运行经验数据相吻合,氚主要通过燃料棒中的三元裂变,可燃毒物棒中硼的活化以及主冷却剂中硼、锂和氘流经堆芯时的活化产生,主要以液态氚水形式排放,影响气液两相分配份额的主要因素取决于主冷却剂向反应堆厂房和辅助厂房的泄漏率。     

氚靶生产现场氚监测系统的构建

氚靶生产过程中的氚监测是保障工作安全进行的有力条件。通过建立1套中央控制多区域监测子系统,并辅之以便携式监测仪器及取样设备,构建成1套完整的氚靶生产现场氚监测系统。系统在氚靶生产过程中得以应用,结果表明,中央控制多区域监测系统的响应时间小于10s,其它设备运行正常,能很好地满足氚靶生产现场的监测要求。     

在线产氚辐照装置物理参数模拟

在线产氚回路对我国氚增殖模块（TBM）增殖剂候选材料的考核、氚增殖剂材料的在线释放规律研究具有重要意义,辐照装置是在线产氚回路的关键部件。本工作采用MCNP程序模拟在线产氚辐照装置在堆内辐照时的物理参数,计算结果如下：自屏因子为0.430,等效反应截面为1.09×10^-22cm²,每日产量为2.8×10¹⁰Bq,总发热功率为8.2kW。模拟计算结果为该装置的设计提供了必需的数据支持。     

Tritium in the DIII-D carbon tiles

The amount of tritium in the carbon tiles used as a first wall in the DIII-D tokamak was measured recently when the tiles were removed and cleaned. The measurements were made as part of the task of developing the appropriate safety procedures for processing of the tiles. The surface tritium concentration on the carbon tiles was surveyed and the total tritium released from tiles samples was measured in test bakes. The total tritium in all the carbon tiles at the time the tiles were removed for cleaning is estimated to be 15 mCi and the fraction of tritium retained in the tiles from DIII-D operations has a lower bound of 10%. The tritium was found to be concentrated in a narrow surface layer on the plasma facing side of the tile, was fully released when baked to 1000°C, and was released in the form of tritiated gas (DT) as opposed to tritiated water (DTO) when baked.     

CFETR氚自持分析评估与验证策略

中国聚变工程实验堆（China Fusion Engineering Test Reactor, 简称CFETR）的主要目标之一是实现氚自持。采用氚平衡法对CFETR不同运行工况下的氚自持条件进行了分析评估。结果表明：在500 MW运行阶段,CFETR实现氚自持所需的最小氚增殖比（TBR_r）为1.098,小于CFETR增殖包层可达到的氚增殖比（TBR_a）,即在理论上满足氚自持条件。在此基础上,提出了CFETR未来通过定期的氚衡算来验证氚自持的基本策略。在基准输入参数和氚存量测量精度限制（1%）条件下,CFETR氚自持验证实验的运行周期需要大于22 d（氦冷包层）或87 d（水冷包层）。     

高压氘氚气氛下铜对氚的吸附

为了解氚在铜表面的吸附和解吸行为，对铜样品在n（D）∶n（T）=1∶1，503 K时，15 MPa下恒温8 h后，再在27 MPa恒温6 h下进行了氚的吸附，并对吸附氚的铜样品在室温下和加热到1 173 K时的解吸氚量和吸附总氚量进行了测量。结果表明，铜的吸附总氚量为31.89 MBq/cm²,解吸氚量为29.18 MBq/cm²，测量的标准差为6.49％；室温和加热条件下铜所释放的氚中，化学成分主要是HTO和HT，大部分以HT形式存在；铜的自由氚量占吸附总氚量的3.64 ％；铜的热解吸谱至少存在3个解吸峰，其解吸温度分别为650，750和1 173 K以上。     

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。     

Tritium sorption on concrete protective coatings and the impact on operational safety

Exposures of concrete and selected coating materials to tritiated atmospheres have shown that tritium sorption on these materials and subsequent desorption are important parameters in defining tritium sources within a tritium-handling facility. Exposure time, tritium concentration and humidity of the air atmosphere affected the amount of tritiated water vapor sorbed. Some of the selected coatings reduced the tritium sorbed to less than 1% of unprotected concrete samples.Work funded by AECL Research and the Canadian Fusion Fuels Technology Project (CFFTP).     

我国聚变堆结构材料表面阻氚涂层的研究进展

阻氚涂层是聚变堆实现氚自持及氚安全的关键科学与技术问题之一。我国通过国家磁约束聚变能发展研究专项依托国内优势单位部署了阻氚涂层基础问题及工程化技术研发工作。本文介绍了国内外聚变堆结构材料表面阻氚涂层研究进展,重点评述了近几年我国在阻氚涂层的材料选择、制备技术及阻滞氢渗透机制三个科学技术问题的研究进展,提出今后的研究方向。目前我国阻氚涂层材料类型以氧化物涂层为主,涂层制备工艺技术在不断优化和更新。Al2O3/FeAl阻氚涂层的电化学沉积铝(ECA)、粉末包埋渗铝(PC)及热浸铝(HDA)等方法的工艺处理规模及涂层阻氚性能在国际上均相对领先。发展了研究阻氚涂层阻滞氢渗透作用机理的方法,将通常基于Fick定律的表象研究方法向原子级方法前推了一步。未来需在考虑涂层制备工艺与基体材料成分、性能的关系及其在复杂形状结构件的适用性基础上,开发长寿命、高阻氚性能的阻氚涂层材料及制备工艺。     

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。     

基于丝壁电离室的数字化氚在线测量系统的研制

涉氚场所中的氚浓度在线测量是保障工作安全顺利进行的有力条件。针对涉氚场所中氚主要以氚气形式存在的特点,设计并研制了一套数字化氚在线测量系统。该系统采用补正极原理设计了丝壁电离室,消除了氚在进入电离室前产生的电离离子对测量结果的影响;开发了数字化信号处理系统,可自控获取、处理及显示过程中的氚浓度。系统在氚靶生产过程中得以应用,结果表明,丝壁的设计使得电离室室壁氚吸附产生的记忆效应减小到1%以内,系统中的氚浓度能够在线实时准确测量、显示,能很好地满足涉氚场所氚在线测量的要求。     

可移动式除氚器的现场应用试验

在现场闭路循环工作模式下，采用中国辐射防护研究院研制的小型可移动式除氚器对微量(（0.5~1）×10^-6)气态氚进行脱氚试验。试验结果表明：催化床在450℃工作温度下，空气闭路循环流量为3.8m³/h时，除氚器可在114min内将1m³密封不锈钢罐空气中的氚浓度由4.62×10⁶Bq/L降至4.62×10³Bq/L。同时，论证了除氚器在现场使用的适应性与安全性，并对其研制和现场性能试验中发现的技术问题进行了论述。