吳宜燦,劉 超,宋 鋼,王永峰,李桃生,汪建業(yè),蔣潔瓊,趙柱民,宋 勇,胡麗琴,黃群英,李亞洲,王 文,王志剛,王 剛,季 翔,王 亮,王為田,于前鋒,黃國(guó)強(qiáng),程雄衛(wèi),王飛鵬,張思緯,李雅男,韓運(yùn)成,宋 婧,龍鵬程,FDS團(tuán)隊(duì)

強(qiáng)流氘氚聚變中子源HINEG設(shè)計(jì)研究

吳宜燦,劉 超,宋 鋼,王永峰,李桃生,汪建業(yè),蔣潔瓊,趙柱民,宋 勇,胡麗琴,黃群英,李亞洲,王 文,王志剛,王 剛,季 翔,王 亮,王為田,于前鋒,黃國(guó)強(qiáng),程雄衛(wèi),王飛鵬,張思緯,李雅男,韓運(yùn)成,宋 婧,龍鵬程,FDS團(tuán)隊(duì)

(中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230031)

強(qiáng)流氘氚聚變中子源HINEG(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator)研發(fā)分兩期: HINEG-Ⅰ為直流脈沖雙模式,已成功產(chǎn)生中子強(qiáng)度1.1×1012n/s的氘氚聚變中子,并實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;HINEG-Ⅱ中子強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)為1014～1015n/s量級(jí),重點(diǎn)突破強(qiáng)流離子源和高載熱氚靶技術(shù)。HINEG中子源可開(kāi)展中子學(xué)方法程序與核數(shù)據(jù)、輻射屏蔽與防護(hù)、材料活化與輻照損傷機(jī)理和部件中子學(xué)性能等核能與核安全研究,同時(shí)也可在核醫(yī)學(xué)與放射治療、中子照相等領(lǐng)域拓展核技術(shù)應(yīng)用研究。本文簡(jiǎn)要介紹HINEG總體設(shè)計(jì)方案與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展。

氘氚聚變;中子源;高載熱氚靶;強(qiáng)束流加速器

中子是維持核能系統(tǒng)安全運(yùn)行和控制的“靈魂”,中子源是研究核能與核安全技術(shù)的必備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。氘氚聚變中子源利用加速器產(chǎn)生的氘離子束轟擊氚靶,發(fā)生氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生14.1 Me V的單能中子,具有中子能量高、能譜窄、使用靈活、固有安全性高等優(yōu)點(diǎn),是開(kāi)展中子學(xué)方法程序與核數(shù)據(jù)驗(yàn)證、輻射屏蔽與防護(hù),材料活化與輻照損傷,部件中子學(xué)性能研究的必備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1,2］,還可應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)與放射治療、核測(cè)井與探礦、快中子照相、醫(yī)用同位素生產(chǎn)、快中子活化分析等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活直接相關(guān)的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)研究應(yīng)用,帶動(dòng)新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。

中子源是核能及核技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施,從20世紀(jì)50年代至今,國(guó)際上已投入大量科研力量進(jìn)行氘氚聚變中子源的研制,如美國(guó)RTNS-Ⅱ[3］、俄羅斯SNEG-13[4］、日本FNS[5］、意大利FNG[6］等中子產(chǎn)額指標(biāo)較高,為1011～ 1013n/s量級(jí)。我國(guó)從80年代起開(kāi)始氘氚聚變中子源的研制,其中中子產(chǎn)額較高的包括中國(guó)原子能科學(xué)研究院CPNG-6[7］、蘭州大學(xué)ZF-300/400[8］、中國(guó)工程物理研究院PD-300[9］等,但與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在一定差距,難以滿足聚變能、裂變能、國(guó)防、核技術(shù)利用等領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)需求。尤其是高流強(qiáng)聚變中子源將是開(kāi)展聚變中子學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證聚變中子輸運(yùn)理論、完善核截面數(shù)據(jù)的有力工具,是實(shí)現(xiàn)聚變堆材料輻照測(cè)試,研究結(jié)構(gòu)材料、絕緣材料、診斷部件等在高流強(qiáng)聚變中子輻照環(huán)境下的性能變化趨勢(shì)及機(jī)理的不可代替手段,是聚變堆走向工程應(yīng)用前解決聚變中子學(xué)及相關(guān)核技術(shù)問(wèn)題的必要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所/FDS團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事新型核能系統(tǒng)中子學(xué)理論和中子高效利用方法研究,取得了一系列具有重要國(guó)際學(xué)術(shù)影響的成果[10-14］,創(chuàng)建了中科院中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。為進(jìn)一步開(kāi)展創(chuàng)新中子學(xué)理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和相關(guān)核技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究,FDS團(tuán)隊(duì)牽頭開(kāi)展了強(qiáng)流氘氚聚變中子源HINEG(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator)的設(shè)計(jì)建設(shè),中子產(chǎn)額最終設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)1014～1015n/s。HINEG建成后將為我國(guó)在物理學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)、國(guó)防科研和先進(jìn)核能開(kāi)發(fā)等學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)提供先進(jìn)研究平臺(tái)。本文給出了HINEG總體方案設(shè)計(jì)與分階段研發(fā)進(jìn)展,并介紹了在高載熱旋轉(zhuǎn)氚靶和強(qiáng)流離子加速器的技術(shù)創(chuàng)新,以及利用HINEG進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究規(guī)劃。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與技術(shù)路線

HINEG設(shè)計(jì)研發(fā)主要面向中子學(xué)基礎(chǔ)研究、先進(jìn)核能系統(tǒng)(聚變堆、第四代裂變堆等)部件核性能工程測(cè)試及其他核技術(shù)應(yīng)用?？紤]到以上實(shí)驗(yàn)需求與現(xiàn)有的加速器型中子源的技術(shù)水平,HINEG設(shè)計(jì)研究分為兩階段,設(shè)計(jì)與研制總體路線如圖1所示:

圖1 HINEG設(shè)計(jì)與研制路線圖

HINEG-Ⅰ以滿足中子學(xué)基礎(chǔ)研究為主要目標(biāo),設(shè)計(jì)為直流/脈沖雙模式。直流模式中子強(qiáng)度為1012n/s量級(jí),用于開(kāi)展中子學(xué)方法程序與核數(shù)據(jù)驗(yàn)證、材料活化與輻射防護(hù)研究;脈沖模式實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)中子脈寬、頻率達(dá)兆赫茲級(jí),利用飛行時(shí)間法(TOF)可進(jìn)一步滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)于1～14 Me V中子能量高分辨的需求。針對(duì)HINEG整體需求,實(shí)驗(yàn)大廳建成半地下式結(jié)構(gòu),并在直流靶室設(shè)置局部屏蔽,滿足屏蔽需求。實(shí)驗(yàn)大廳同時(shí)充分考慮飛行時(shí)間法的測(cè)量需求,設(shè)計(jì)最大脈沖中子飛行距離15 m,并且可全角度開(kāi)展能譜測(cè)量。輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、屏蔽門(mén)系統(tǒng)、氚凈化系統(tǒng)等,保證人員和環(huán)境輻射安全。

HINEG-Ⅱ以滿足部件核性能工程測(cè)試需求為主要目標(biāo),中子強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)為1014～ 1015n/s量級(jí)。HINEG-Ⅱ可用于材料輻照損傷機(jī)理和米級(jí)大尺度部件中子學(xué)性能等核技術(shù)基礎(chǔ)研究,同時(shí)也可在核醫(yī)學(xué)與放射治療、核測(cè)井與探礦、同位素生產(chǎn)和中子照相等領(lǐng)域拓展核技術(shù)應(yīng)用研究。相對(duì)于HINEG-Ⅰ, HINEG-Ⅱ流強(qiáng)提高約2～3個(gè)量級(jí),對(duì)氚靶系統(tǒng)散熱、強(qiáng)流離子束產(chǎn)生與傳輸提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中氚靶系統(tǒng)散熱將采用陣列射流、陣列噴霧,同時(shí)結(jié)合納米流體等新型技術(shù);強(qiáng)流離子束傳輸將重點(diǎn)發(fā)展強(qiáng)流低發(fā)射度離子束引出、高空間電荷效應(yīng)下的離子束傳輸、強(qiáng)流離子束加速等關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 HINEG-Ⅰ方案設(shè)計(jì)

HINEG-Ⅰ為直流/脈沖雙模式氘氚聚變中子源,其系統(tǒng)主要由高壓電源、離子源、低能傳輸段(螺線管透鏡和導(dǎo)向器)、加速管、高能傳輸段、脈沖化裝置和氚靶系統(tǒng)組成。直流和脈沖兩種運(yùn)行模式下的氘離子束流強(qiáng)度、束包絡(luò)、傳輸元件均不相同,因此在HINEG-Ⅰ的設(shè)計(jì)中采用直流和脈沖兩種模式共用離子源、低能傳輸段和加速管的設(shè)計(jì),在束流經(jīng)過(guò)加速后使用偏轉(zhuǎn)磁鐵形成兩條束線,分別用于產(chǎn)生直流中子和納秒脈沖中子。離子源和低能傳輸段均置于高壓倉(cāng)內(nèi),從離子源中引出的氘離子束,通過(guò)加速管加速,隨后以開(kāi)關(guān)磁鐵實(shí)現(xiàn)直流脈沖雙模式切換。直流模式離子束沿直線通過(guò),經(jīng)導(dǎo)向器和三單元四極透鏡聚焦后轟擊旋轉(zhuǎn)氚靶,產(chǎn)生強(qiáng)流中子;脈沖模式離子束偏轉(zhuǎn)90°傳輸聚焦后通過(guò)切割器、導(dǎo)向器和聚束器形成脈沖氘離子束轟擊氚靶,產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖中子束。目前HINEG-Ⅰ中子源系統(tǒng)已經(jīng)完成全部安裝和多種實(shí)驗(yàn)調(diào)試工作,并成功產(chǎn)生氘氘中子和氘氚聚變中子,中子源強(qiáng)已達(dá)1.1×1012n/s,強(qiáng)流加速器和高速旋轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

式中：αi代表拉格朗日乘子，Kxi,xj 為核函數(shù)。該核函數(shù)為徑向基核函數(shù)(RBF)， Kxi,xj=exp{-gx-xi2}，g為核函數(shù)參數(shù)。

圖2 HINEG-Ⅰ直流束線與旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)

1.3 HINEG-Ⅱ方案設(shè)計(jì)

HINEG-Ⅱ中子流強(qiáng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)1014～ 1015n/s量級(jí),擬分為A/B兩子階段,重點(diǎn)針對(duì)離子源、高載熱氚靶系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和改進(jìn)。其中A階段的設(shè)計(jì)目標(biāo)中子強(qiáng)度為1013n/s量級(jí)。B階段將通過(guò)研制強(qiáng)流離子源來(lái)實(shí)現(xiàn)安培量級(jí)的到靶束流,實(shí)現(xiàn)中子流強(qiáng)1014～1015n/s量級(jí),后期利用多條加速器組成加速器陣列等多種方式,實(shí)現(xiàn)中子流強(qiáng)的進(jìn)一步突破。同時(shí), HINEG-Ⅱ高載熱靶系統(tǒng)將采用高速旋轉(zhuǎn)、陣列噴霧、納米流體等新型散熱技術(shù),以解決50～200 k W/cm2高熱流密度的散熱難題。

HINEG-Ⅱ已經(jīng)完成了總體方案設(shè)計(jì)與可行性論證,目前正在開(kāi)展核心部件的研制工作,包括200 m A ECR離子源、安培量級(jí)強(qiáng)流離子源、1014～1015n/s高載熱氚靶系統(tǒng)的研制。其中高載熱氚靶系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)展了熱工測(cè)試實(shí)驗(yàn),通過(guò)研制的高載熱散熱技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),成功驗(yàn)證了氚靶系統(tǒng)擬采用散熱技術(shù)的可行性。

2 關(guān)鍵部件技術(shù)

2.1 高載熱旋轉(zhuǎn)靶

氘氚聚變中子源為產(chǎn)生高流強(qiáng)中子,必須使用高流強(qiáng)氘離子束轟擊含氚靶片,從而給靶系統(tǒng)帶來(lái)了高效散熱難題。例如HINEG-Ⅰ35 m A/ 400 ke V氘離子束到靶可產(chǎn)生10 k W/cm2熱負(fù)載,若不加散熱,靶點(diǎn)在0.1 s內(nèi)即升溫至1 000℃以上。后期HINEG-Ⅱ靶熱負(fù)載可達(dá)50 k W/cm2。靶系統(tǒng)已成為制約中子流強(qiáng)提高的關(guān)鍵障礙。本節(jié)擬從高效散熱技術(shù)、靶片基底導(dǎo)熱技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)與密封技術(shù)三方面闡述HINEG高載熱旋轉(zhuǎn)靶研究進(jìn)展。

(1)高效散熱技術(shù)

HINEG-Ⅰ靶系統(tǒng)采用直噴水冷卻散熱技術(shù),冷卻水從靶片中心處流入,通過(guò)對(duì)流換熱對(duì)靶片進(jìn)行冷卻。實(shí)驗(yàn)證明,該散熱技術(shù)配合1 000 rpm轉(zhuǎn)速可有效地實(shí)現(xiàn)HINEG-Ⅰ氚靶系統(tǒng)的冷卻,在10 k W/cm2熱負(fù)載下可將靶點(diǎn)溫度控制在200℃以下。對(duì)于HINEG-Ⅱ氚靶系統(tǒng),由于氘離子流強(qiáng)相對(duì)HINEG-Ⅰ提高2～3個(gè)量級(jí),熱負(fù)載可達(dá)50 k W/cm2。目前已有的直噴水冷卻技術(shù)無(wú)法滿足靶系統(tǒng)的散熱需求,后期擬采用陣列噴霧或陣列射流方式直接冷卻靶點(diǎn)和束流環(huán)帶,同時(shí)探索納米流體冷卻介質(zhì)散熱技術(shù)。

近期針對(duì)1014～1015n/s量級(jí)中子強(qiáng)度靶系統(tǒng)的工況,已研制成功高載熱靶散熱技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖3)[10］。平臺(tái)為1∶1真實(shí)尺寸HINEG-Ⅱ靶系統(tǒng)靶盤(pán),能夠測(cè)試陣列噴霧、陣列射流和納米流體三種強(qiáng)化傳熱技術(shù)。陣列射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)值模擬結(jié)果顯示(如圖4,其中Ts為靶片表面最高溫度,Q為加熱功率),該平臺(tái)在冷卻劑流量為30 L/min時(shí)的等效對(duì)流換熱系數(shù)約為57 000 W/(m2·K),具有較高的強(qiáng)化散熱能力,靶面溫度可以控制在180℃以下,保證氚靶片的安全和氚靶系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 高載熱靶散熱技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4 射流實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

(2)靶片基底導(dǎo)熱技術(shù)

HINEG靶系統(tǒng)靶片基底材料導(dǎo)熱性能在一定程度上會(huì)影響氚靶系統(tǒng)整體的傳熱效果。對(duì)于HINEG-Ⅰ靶系統(tǒng),使用鉻鋯銅作為靶片基底材料即可滿足需求。對(duì)HINEG-Ⅱ氚靶系統(tǒng),需要探索具有更高熱導(dǎo)率且機(jī)械性能良好的復(fù)合材料,該類(lèi)材料同時(shí)具備熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、綜合力學(xué)性能良好、可鍍覆性與可加工性好等優(yōu)點(diǎn),如金剛石復(fù)合銅,金剛石復(fù)合鋁等。

(3)機(jī)械傳動(dòng)與密封技術(shù)

HINEG-Ⅰ氚靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm,采用帶輪傳動(dòng)技術(shù),已穩(wěn)定測(cè)試運(yùn)行250 h以上,其中不間斷運(yùn)行超100 h。HINEG-Ⅱ氚靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5 000～10 000 rpm,傳統(tǒng)的帶輪傳動(dòng)技術(shù)已無(wú)法滿足要求,擬探索氣動(dòng)渦輪傳動(dòng)等新技術(shù)應(yīng)用于靶系統(tǒng)的超高速旋轉(zhuǎn)。同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)將帶來(lái)新的冷卻劑和真空的動(dòng)密封技術(shù)難題。

對(duì)于冷卻劑動(dòng)密封,HINEG-Ⅰ靶系統(tǒng)的機(jī)械密封技術(shù)適用于轉(zhuǎn)速1 000 rpm的情況,不適用于5 000～10 000 rpm高轉(zhuǎn)速。后期擬采用迷宮結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻劑的非接觸式密封,消除接觸式摩擦,解決高轉(zhuǎn)速的冷卻劑密封問(wèn)題。對(duì)于真空動(dòng)密封,為確保中子發(fā)生器氘束流傳輸空間的工作真空度,HINEG靶系統(tǒng)采用磁流體密封技術(shù),該技術(shù)已成功應(yīng)用于HINEG-Ⅰ氚靶系統(tǒng),后期將改進(jìn)該項(xiàng)真空動(dòng)密封技術(shù)。

2.2 強(qiáng)流離子加速器技術(shù)

HINEG-Ⅰ和HINEG-Ⅱ的氘離子束流強(qiáng)度分別在10 m A量級(jí)和100～1 000 m A量級(jí),能量在100 ke V量級(jí),屬于低能強(qiáng)流束范疇。因此HINEG強(qiáng)流離子加速器必須要攻克強(qiáng)流低發(fā)射度離子束引出、強(qiáng)空間電荷效應(yīng)下的離子束傳輸、強(qiáng)流離子束的加速等關(guān)鍵技術(shù)。

(1)強(qiáng)流低發(fā)射度離子束引出

HINEG-Ⅰ采用電子回旋共振離子源結(jié)合五電極引出系統(tǒng)設(shè)計(jì),在50 m A強(qiáng)流離子束引出的同時(shí)將束流的發(fā)射度控制在小于0.2 pi.mm.mrad范圍。電子回旋共振離子源具有引出束流強(qiáng)度大、束流發(fā)射度低、單原子離子比高、束流穩(wěn)定度好、離子源壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。HINEG-Ⅰ采用的五電極引出系統(tǒng),優(yōu)化了引出區(qū)域的電場(chǎng)位型,與傳統(tǒng)三電極引出系統(tǒng)相比,極大地提高了對(duì)引出區(qū)域束流發(fā)射度的控制,實(shí)現(xiàn)了低發(fā)射度強(qiáng)流離子束的引出。HINEG-Ⅱ?qū)⒉捎梦⒉x子源結(jié)合緊湊型多孔多電極引出技術(shù),擬實(shí)現(xiàn)安培級(jí)強(qiáng)流離子束引出。

(2)強(qiáng)空間電荷效應(yīng)下的離子束傳輸

低能強(qiáng)流離子束在傳輸過(guò)程中,空間電荷效應(yīng)非常明顯,對(duì)強(qiáng)流束具有發(fā)散作用,使束流的傳輸效率下降。HINEG運(yùn)用空間電荷補(bǔ)償機(jī)制,在靜電元件中增加空間電荷中和效應(yīng),有效地抑制了空間電荷效應(yīng)對(duì)束流的發(fā)射作用。離子源引出的離子中,還含有D2＋和D3＋等雜質(zhì)離子。雜質(zhì)離子轟擊氚靶,一方面會(huì)縮短靶片的壽命,另一方面會(huì)影響中子能譜。HINEG創(chuàng)新性的采用了具有雙組合螺線管磁透鏡的低能傳輸段的設(shè)計(jì),對(duì)D＋離子束匯聚的同時(shí),對(duì)D2＋和D3＋發(fā)散。在加速管入口處可以將雜質(zhì)離子的比例降低到3%以內(nèi),保證了強(qiáng)流離子束的傳輸。

(3)強(qiáng)流離子束的加速技術(shù)

HINEG采用高梯度均勻場(chǎng)的高壓靜電加速管,以增強(qiáng)聚焦能力,縮短加速距離。加速梯度達(dá)到18 k V/cm,加速區(qū)總長(zhǎng)度僅230 mm。有效地控制了空間電荷效應(yīng)所引起的發(fā)射度增長(zhǎng)和束流損失。其次在加速管出口處耦合了一個(gè)空間電荷透鏡,增加加速管出口位置處的空間電荷中和度,進(jìn)一步降低了加速管出口處的空間電荷效應(yīng)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃與應(yīng)用展望

HINEG建成后可針對(duì)先進(jìn)核能開(kāi)發(fā)、國(guó)防科研等應(yīng)用領(lǐng)域,開(kāi)展物理學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)。HINEG可用于模擬未來(lái)聚變堆內(nèi)的中子環(huán)境,開(kāi)展氚增殖、能量提取、材料活化與損傷等聚變能技術(shù)相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn);HINEG上經(jīng)過(guò)慢化的中子也可用來(lái)模擬正在發(fā)電的裂變反應(yīng)堆和未來(lái)先進(jìn)反應(yīng)堆堆內(nèi)的中子環(huán)境,開(kāi)展核輻射安全相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

HINEG-Ⅰ以滿足中子學(xué)基礎(chǔ)研究為主要目標(biāo),前期計(jì)劃開(kāi)展實(shí)驗(yàn)如下:1)中子學(xué)方法程序與核數(shù)據(jù):開(kāi)展小尺度的中子學(xué)宏觀驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證先進(jìn)核能系統(tǒng)中子學(xué)設(shè)計(jì)與分析所需的方法、程序及核數(shù)據(jù),為聚變堆、鉛冷快堆和加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)等先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)與安全分析提供分析工具與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如,驗(yàn)證我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超級(jí)蒙特卡羅核計(jì)算仿真軟件系統(tǒng)Super MC[15］;又如,利用脈沖模式測(cè)量中子核反應(yīng)截面數(shù)據(jù),開(kāi)展(n,p)、(n,t)、(n,3He)和(n,α)等嬗變反應(yīng)的截面測(cè)量,這些嬗變反應(yīng)通常是高能中子與聚變堆第一壁材料或結(jié)構(gòu)材料中的Cu、Fe、W、Ni等元素之間發(fā)生的,這些反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫、氦等氣體對(duì)反應(yīng)堆材料的服役性能與壽命有重要影響[16］,但截面約微靶量級(jí),特別是角分布和能譜測(cè)量數(shù)據(jù)國(guó)際上幾乎空白[17］;又如,開(kāi)展Fe、Li、Pb等核素的中子誘導(dǎo)光子產(chǎn)生微觀截面測(cè)量,可服務(wù)于聚變堆超導(dǎo)線圈的屏蔽設(shè)計(jì)[18］。2)輻射屏蔽與防護(hù):開(kāi)展輻射屏蔽宏觀驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證屏蔽設(shè)計(jì)及屏蔽材料材料性能;開(kāi)展高能中子輻射生物學(xué)基礎(chǔ)研究,揭示DNA雙鏈斷裂及其修復(fù)機(jī)理,完善高能中子輻射損傷因子測(cè)定,為高能中子輻射防護(hù)與環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

HINEG-Ⅱ以滿足部件核性能工程測(cè)試需求為主要目標(biāo),前期計(jì)劃開(kāi)展實(shí)驗(yàn)如下:1)材料活化與輻照損傷機(jī)理:例如開(kāi)展反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料CLAM鋼[19］和15-15Ti不銹鋼的輻照損傷基礎(chǔ)機(jī)理研究,獲得聚變中子輻照對(duì)材料微結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律,為輻照數(shù)據(jù)庫(kù)提供重要數(shù)據(jù)。2)部件核性能:例如,利用高流強(qiáng)中子開(kāi)展聚變包層(如DFLL液態(tài)包層[20,21］、HCCB固態(tài)包層[22］)的工程模型實(shí)驗(yàn),測(cè)試聚變環(huán)境下包層的氚增殖、部件的核熱沉積等方面核性能是否滿足工程設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)HINEG也可在核醫(yī)學(xué)與放射治療、核測(cè)井與探礦、同位素生產(chǎn)、中子照相和中子活化分析等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活直接相關(guān)的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)研究應(yīng)用,帶動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。如快中子照相技術(shù):快中子具有更強(qiáng)的穿透能力,能夠分析大尺度復(fù)雜器件中元素的空間分布和材料結(jié)構(gòu)差異等信息,可滿足航空航天、核材料和軍工等領(lǐng)域需求;醫(yī)用同位素生產(chǎn):利用HINEG強(qiáng)流氘氚中子源可使用低濃縮鈾靶或98Mo靶生產(chǎn)醫(yī)用放射性核素99mTc,監(jiān)管成本低且生產(chǎn)靈活,具有廣闊的應(yīng)用前景;快中子活化分析技術(shù):利用快中子活化高精度測(cè)定痕量元素(如O、Si、P、Te、Pb等),滿足在冶金、生物、環(huán)境、地質(zhì)和考古等各方面的應(yīng)用需要。

4 總結(jié)

本文深入分析國(guó)內(nèi)外氘氚聚變中子源發(fā)展現(xiàn)狀及需求,設(shè)計(jì)了強(qiáng)流氘氚聚變中子源HINEG,并詳述了高載熱靶和強(qiáng)束流傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。HINEG-Ⅰ設(shè)計(jì)為直流脈沖雙模式,其中直流模式已成功產(chǎn)生中子強(qiáng)度為1.1×1012n/s的氘氚聚變中子。HINEG-Ⅱ中子強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)為1014～1015n/s量級(jí),重點(diǎn)針對(duì)離子源、高載熱氚靶系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和改進(jìn)。HINEG中子源可開(kāi)展中子學(xué)方法程序與核數(shù)據(jù)、輻射屏蔽與防護(hù)、材料活化與輻照損傷機(jī)理和部件中子學(xué)性能等核能與核安全研究,同時(shí)也可在核醫(yī)學(xué)與放射治療、同位素生產(chǎn)、中子照相等領(lǐng)域拓展核技術(shù)應(yīng)用研究,帶動(dòng)新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。HINEG裝置的建成對(duì)我國(guó)和世界核能與核技術(shù)應(yīng)用研究都具有重要意義。

致謝：

本文的工作得到了FDS團(tuán)隊(duì)其他成員和中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中科院近代物理研究所、西北核技術(shù)研究所、中國(guó)工程物理研究院、中科院上海應(yīng)用物理研究所和國(guó)內(nèi)外其他單位的技術(shù)支持,在此表示感謝!

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Design Study of High Intensity D-T Fusion Neutron Generator HINEG

WU Yi-can,LIU Chao,SONG Gang,Wang Yong-feng,LI Tao-sheng,WANG Jian-ye, JIANG Jieq-iong,ZHAO Zhu-min,SONG Yong,HU Li-qin,HUANG Qun-ying,LI Ya-zhou, WANG Wen,Wang Zhi-gang,WANG Gang,JI Xiang,WANG Liang,WANG Wei-tian, YU Qian-feng,HUANG Guo-qiang,CHENG Xiong-wei,WANG Fei-peng,ZHANG Si-wei, LI Ya-nan,HAN Yun-cheng,SONG Jing,LONG Peng-cheng,FDS Team

(Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety,Institute of Nuclear Energy Safety Technology,Chinese Academy of Sciences,Hefei,Anhui,230031,China)

The R&D of HINEG(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator) includes two phases:HINEG-Ⅰand HINEG-Ⅱ．HINEG-Ⅰis designed to generate both the steady beam and pulsed beam,and have successfully produced a D-T fusion neutron yield of up to 1.1×1012n/s.HINEG-Ⅱaims at a high neutron yield of 1014～1015n/s neutrons via high speed rotating tritium target system and high intensity ion source.HINEG can be used for research of nuclear technology and safety including the validation of neutronics method and software,radiation shielding and protection, mechanism of materials activation and radiation damage as well as neutronics performance of components.Its application can also be extended to nuclear medicine, radiotherapy,neutron imaging and other nuclear technology applications.This paper introduces the scenario of design and progress in R&D of key technology of HINEG.

D-T Fusion;Neutron Source;High Thermal Power Tritium Target;High Intensity Beam Accelerator

TL58

A

0258-0918(2016)01-0077-07

2015-02-27

國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2014GB112000,2014GB116000)

吳宜燦(1964—),男,安徽人,研究員,博士生導(dǎo)師,從事先進(jìn)核能系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)研究