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。     

GH3535合金表面渗铝层原位氧化工艺研究

高温工况下钍基熔盐堆中存在氚泄漏的风险，建立氚渗透屏障涂层有助于应对这一问题。采用包埋渗铝和原位氧化工艺，在GH3535合金表面制备了Al2O3/Ni-Al复合阻氚涂层，重点分析了氧化温度和真空度对氧化铝薄膜微观结构的影响。利用掠入射X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段对氧化铝薄膜表面及截面的微观形貌、相构成进行了实验分析。实验结果表明：低氧分压能降低氧化铝薄膜的形成速度，促进形成更致密、表面平整的薄膜；高的氧化温度有利于形成α相氧化铝及更厚的氧化铝薄膜，但会大大增加表面缺陷。1.2 Pa真空度气氛、850℃氧化温度、72 h氧化时间是较优的原位氧化工艺参数，可以在GH3535合金基体表面获得性能较好的氧化铝薄膜，其相结构为γ和α相，厚度约为0.8μm，且表面致密无缺陷。     

基于Abaqus的SiC阻氚涂层表面裂纹性能的研究

在聚变反应堆中阻氚涂层服役期间,涂层表面的裂纹性能以及基底粗糙度是制约涂层服役周期的关键因素。基于Abaqus有限元模拟软件,构建了SiC/316L不锈钢阻氚涂层系统模型。通过对基底表面粗糙度的引入,重点分析了基底粗糙度和涂层表面裂纹之间的关系。结果表明：基底粗糙度对涂层表面裂纹的应变能释放率有显著的影响。当裂纹位于波峰时,应变能释放率最大;当裂纹位于波谷正上方时,应变能释放率最小。相比于光滑交界面,沿着粗糙界面的应力受到了一定程度的抑制效果,呈现降低的趋势。     

中性硅酮胶用于氚污染不锈钢的暂时性封闭

为获得氚污染不锈钢的暂时性封闭材料,在对中性硅酮胶胶膜进行表面形貌和比表面积分析的基础上,用其在316L氚污染不锈钢模拟样品上进行了暂时性封闭实验.结果表明:膜厚度、时间、水和水温这些因素对封闭效果的影响很小.     

316L不锈钢包埋渗铝涂层制备及动力学研究

包埋渗铝技术是制备阻氚涂层常用工艺,其中形成的Fe-Al渗层微观组织对最终形成Al₂O₃涂层的阻氚性能有重要影响。选取AlCl₃(1 wt%)为催化剂,在316L不锈钢基体表面上开展了粉末包埋渗铝工艺试验,采用扫描电镜、X射线能谱分析、X射线衍射等测试手段,分析了渗铝温度和保温时间对基体表面Fe-Al渗层的相结构、微观结构、成分组成的影响,并建立了渗铝过程的动力学模型。试验结果表明：渗铝层由铁铝相组成,存在一定量的铁铝铬、铁铝镍析出物;高的渗铝温度有利于渗铝层的生长,1 023 K以上渗铝层出现明显分层现象;延长渗铝时间能够提高Fe-Al渗层的厚度,但对其物相组成没有影响。根据以上结果,对Fe-Al渗层形成过程进行动力学分析,发现渗铝温度对渗层生长速率的影响符合Arrhenius关系,获得了316L不锈钢包埋渗铝的Arrhenius活化能约为79.23 kJ·mol^-1。同时,拟合出了渗铝时间与涂层厚度的关系式为h=14.585t^1/2+19.514。     

金属样品残余氚测量方法

为定量评价氚在结构材料和老龄贮氢材料内部的滞留量,用化学蚀刻法测定不锈钢内部氚浓度大小、分布情况及同位素交换后老龄贮氚铀床的氚滞留量。结果表明,贮氚13年的不锈钢样品中氚主要存在于样品内表面由表及里的120μm范围内,样品蚀刻深度110.6μm范围内,不锈钢的平均氚滞留量～9.37×10-4mmol/g,贮氚铀粉平均氚滞留量～4.16×10-5mmol/g。该方法对测量金属中微量氚有较高灵敏度,可检测金属中残余氚的滞留量。     

双层辉光离子渗金属技术制备Al-Cr-Si氧化物阻氚涂层

本文采用双层辉光离子渗金属技术在316L不锈钢表面进行Al-Cr-Si共渗后氧化处理,制备致密的氧化物阻氚渗透涂层。用SEM、TEM和XRD分析制备涂层的组织结构,用划痕法和抗热震实验对其进行性能测试。结果表明,Cr、Si元素的掺入使涂层生成连续致密的Al2O3氧化膜;在外层富铝区,Al2O3和少量Fe、Cr的氧化物反应生成了尖晶石型复合氧化物Fe(AlCr)2O4。氧流量为0.01L/min时制得的氧化涂层的组织和性能最佳,其结合力达68N,热震实验后表面无裂纹出现。     

聚乙烯醇膜材料氚衰变辐照效应研究

利用FTIR、XRD、AFM等方法,分析了聚乙烯醇（PVA）膜材料在不同氚气氛下的氚衰变辐照效应,表征了氚衰变β射线对PVA中氢与氚同位素置换的诱导激化作用,明确了PVA中的氚取代主要发生在C-H基团,而醇羟基O-H基团因强烈的氢键作用而未发生氚取代;材料的表面形貌、结晶度等均发生了变化。通过PVA膜拉伸力学性能实验,测定了不同氚衰变辐照下PVA膜材料的拉伸强度和伸长率。结果显示,与其微观结构变化趋势一致。     

加热去氩处理工艺对离子束混合沉积的C-SiC涂层阻氢性能的影响

利用Ar＋离子束混合技术在不锈钢基体上沉积C-SiC涂层，然后对部分样品进行加热去氩处理（400℃，30min），再用5keV氢离子源辐照样品。通过扫描电镜（SEM）的表面形貌观察、二次离子质谱仪（SIMS）的H与Ar元素深度分布和正离子质谱分析，研究去氩处理对氢离子辐照的C-SiC涂层的形貌和阻氢性能的影响。结果表明，经去氩处理，样品中不锈钢基体内的氢浓度降低了80%，显示出去氩处理的C-SiC涂层具有更高的阻氢性能。研究结果将为该技术应用于不锈钢基体上C-SiC涂层制备工艺的进一步改善提供依据。     

退役氚污染不锈钢管道除氚技术研究

针对退役氚污染不锈钢管道材质中氚的存在状况,对残留在管道壁中氚的去除技术进行了研究,在此基础上研制了一套退役氚污染不锈钢管道除氚实验装置,对其除氚性能进行了验证。结果表明,研制的不锈钢管道除氚实验装置对氚污染大于10⁶Bq/kg的不锈钢中氚的去污因子大于10³。     

氚气接触吸收严重程度评估—一起氚内照射事件的启示

本文以一起氚气内照射事件中工作人员的尿氚测定结果为依据,试对氚气接触吸收的严重程度进行一些定量分析。结果表明,皮肤跟被氚气污染了的金属表面接触时所吸收的氚与相同面积的皮肤在相同时间内从与污染金属表面处于吸附解吸平衡状态的含氚空气中浸没吸收的氚的比值约为5×10~3;双手臂与污染金属表面接触所吸收的氚与呼吸道和全身皮肤从空气中浸没吸收的氚之和的比值约为2×10~2。从而强调了氚气接触吸收的严重性。     

反应堆退役废物中氚含量的测定方法研究

本文介绍了反应堆退役废物如不锈钢、碳钢锈垢、合金铝和水池底泥固体样品介质中氚含量的测定方法。建立了高温加湿解析、催化氧化、鼓泡器收集的分析方法，并对该方法中有关参数的确定及测量结果的准确性进行了讨论。     

氚在橡胶中的渗透

本文介绍了氚在橡胶中的渗透原理,并对10多种橡胶材料的氚渗透性能进行了测量。测量结果表明,天然橡胶的氚渗透系数最大,74氯丁橡胶最小;氚气(HT)对天然橡胶的渗透系数是74氯丁橡胶的1.58倍;厚度为1mm的74氯丁橡胶和天然橡胶膜片达到稳态渗透所需延迟时间分别为72和4小时,相差18倍。     

Calibrating a gas chromatograph to measure tritium using calorimetry

The availability of calibrated gas mixtures in a tritium plant is an important precondition for correct analysis of unknown gas samples because a quantitative analysis with a gas chromatograph (GC) requires frequent calibration checks. To calibrate a GC for tritium, certified gas mixtures with different tritium concentrations are necessary. These mixtures can be produced directly in a laboratory. In this case an independent method is needed to determine the tritium concentration in the mixture with high accuracy. Calorimetry is the method of choice because its accuracy is better than 1% and it is non-destructive method.Using the closed tritium loop of the Tritium Laboratory Karlsruhe (TLK), different mixtures containing tritium in the range 1–100% have been produced and measured with one of the in-house calorimeters. After that the GC of the CAPER facility at TLK has been calibrated several times with an uncertainty of a few percents.     

聚变实验增殖堆氚系统设计研究(英文)

介绍了核工业西南物理研究院聚变实验增殖堆工程概要设计(FEB-E)中的氚系统设计研究。第一部分介绍包层氚增殖区的划分、几何尺寸、装料特征和用蒙特卡罗程序计算得到的液态锂中的氚浓度分布;第二部分描述根据聚变堆氚物理基础构造的氚循环系统,共分成 10 个子系统及它们之间氚的流程图。运用研制的程序SWITRIM 计算了各个子系统中的氚投料量随时间的变化,满功率运行一年后各个子系统中的氚投料量。研究结果表明起动 143 MW 聚变功率 FEB-E 堆所需要的初始氚投料量大约为 319 g。第三部分对不同的运行状态下的氚泄漏问题进行了分析。潜在的氚泄漏危险可能来自于偏滤器系统从等离子体中抽出的气体。得到的结论是提高FEB-E 堆芯等离子体的燃耗份额从而减少氚的通过量对降低氚的泄漏危险是重要的。     

Tritium management and safety issues in ITER and DEMO breeding blankets

Safe, reliable and efficient tritium management in the breeder blanket faces unique technological challenges. Beside the tritium recovery efficiency in the tritium extraction and coolant purification systems, the tritium tracking accuracy between the inner and outer fuel cycle shall also be demonstrated. Furthermore, it is self-evident that safe handling and confinement of tritium need to be stringently assured to evolve fusion as a reliable technique. The present paper gives an overview of tritium management in breeder blankets. After a short introduction into the tritium fuel cycle and blanket basics, open tritium issues are discussed, thereby focusing on tritium extraction from blanket, coolant detritiation and tritium analytics and accountancy, necessary for accurate and reliable processing as well as for book-keeping.     

大气与雨水中氚（HTO）的浓度

本文介绍了秦山核电厂附近和本站院内１９９１年大气与雨水中氚浓度的年分布，大气和雨水中氚的年平均浓度分别为２８．０ｍＢｑ／ｍ＾３和２．１２Ｂｑ／Ｌ；四季浓度顺序分别为夏＞春＞秋＞冬和春＞秋＞夏＞冬。大气氚浓度在５月份有一峰值５６．９ｍＢｑ／ｍ＾３；雨水中氚浓度以３月与１０月最高，分别为３．８３Ｂｑ／Ｌ与３．４７Ｂｑ／Ｌ。     

复合防氚材料阻氚性能的测定

本文介绍借助以水捕集渗透氚的方法测定复合防氚材料阻氚性能的原理、实验装置和结果。实验结果表明,不同的复合防氚材料相对于74~#氯丁像胶的氚气渗透率约为1/(29)—1/(16),说明这些材料的阻氚性能普遍优于氯丁橡胶。     

Purex流程中氚的行为研究

研究了氚在Ｐｕｒｅｘ流程中的行为。测量了氚和ＨＮＯ_３在３０％ＴＢＰ－煤油和水相之间的分配比，研究了γ辐照和铀浓度对氚分配的影响及辐照对氚在有机相中保留的影响。萃取到有机相中氚的洗涤实验表明，洗涤是一种氚在两相间重新分配的简单过程。对氚在一循环中的行为进行了台架实验，结果表明，１Ａ混合－澄清槽（６级萃取，９级洗涤）中对氚的去污系数在１０~４以上，并且氚主要集中在１Ａ的萃取段，残留在１ＡＰ中的氚易在附加的氚洗槽（５级）中去除。     

Tritium diffusivity in crystal grain of Li2TiO3 and tritium release behavior under several purge gas conditions

It has been reported by the present authors that behavior of tritium release from solid breeder grain is consisted of diffusion in grain, tritium transfer at surface layer and surface reactions on grain surface such as adsorption or isotope exchange reactions. Tritium release curves estimated using the tritium release model gave good agreement with observed tritium release curves from Li₄SiO₄, Li₂ZrO₃ or LiAlO₂.

Tritium release behavior from Li₂TiO₃ under humid purge gas, dry purge gas and dry purge gas with hydrogen conditions is discussed in this study, tritium release curves using the release model that we proposed previously give a good agreements with experimental tritium release curves. Tritium effective diffusivity in the crystal grain of Li₂TiO₃ is also estimated in this study using a curve-fitting method applied to the release curves obtained under the humid purge gas condition. It is discussed that change of color of Li₂TiO₃ surface under hydrogen purge gas condition is observed and this phenomenon might affect tritium release behavior from Li₂TiO₃.