強流氘氚聚變中子源HINEG設計研究

吳宜燦,劉 超,宋 鋼,王永峰,李桃生,汪建業,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,黃國強,程雄衛,王飛鵬,張思緯,李雅男,韓運成,宋 婧,龍鵬程,FDS團隊

強流氘氚聚變中子源HINEG設計研究

吳宜燦,劉 超,宋 鋼,王永峰,李桃生,汪建業,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,黃國強,程雄衛,王飛鵬,張思緯,李雅男,韓運成,宋 婧,龍鵬程,FDS團隊

(中國科學院核能安全技術研究所,中國科學院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室,安徽合肥230031)

強流氘氚聚變中子源HINEG(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator)研發分兩期: HINEG-Ⅰ為直流脈沖雙模式,已成功產生中子強度1.1×1012n/s的氘氚聚變中子,并實現連續穩定運行;HINEG-Ⅱ中子強度設計指標為1014～1015n/s量級,重點突破強流離子源和高載熱氚靶技術。HINEG中子源可開展中子學方法程序與核數據、輻射屏蔽與防護、材料活化與輻照損傷機理和部件中子學性能等核能與核安全研究,同時也可在核醫學與放射治療、中子照相等領域拓展核技術應用研究。本文簡要介紹HINEG總體設計方案與關鍵技術研究進展。

氘氚聚變;中子源;高載熱氚靶;強束流加速器

中子是維持核能系統安全運行和控制的“靈魂”,中子源是研究核能與核安全技術的必備實驗平臺。氘氚聚變中子源利用加速器產生的氘離子束轟擊氚靶,發生氘氚聚變反應產生14.1 Me V的單能中子,具有中子能量高、能譜窄、使用靈活、固有安全性高等優點,是開展中子學方法程序與核數據驗證、輻射屏蔽與防護,材料活化與輻照損傷,部件中子學性能研究的必備實驗平臺[1,2］,還可應用于核醫學與放射治療、核測井與探礦、快中子照相、醫用同位素生產、快中子活化分析等國民經濟和人民生活直接相關的領域實現研究應用,帶動新型產業技術發展。

中子源是核能及核技術發展的基礎設施,從20世紀50年代至今,國際上已投入大量科研力量進行氘氚聚變中子源的研制,如美國RTNS-Ⅱ[3］、俄羅斯SNEG-13[4］、日本FNS[5］、意大利FNG[6］等中子產額指標較高,為1011～ 1013n/s量級。我國從80年代起開始氘氚聚變中子源的研制,其中中子產額較高的包括中國原子能科學研究院CPNG-6[7］、蘭州大學ZF-300/400[8］、中國工程物理研究院PD-300[9］等,但與國際先進水平仍存在一定差距,難以滿足聚變能、裂變能、國防、核技術利用等領域日益增長的實驗需求。尤其是高流強聚變中子源將是開展聚變中子學實驗來驗證聚變中子輸運理論、完善核截面數據的有力工具,是實現聚變堆材料輻照測試,研究結構材料、絕緣材料、診斷部件等在高流強聚變中子輻照環境下的性能變化趨勢及機理的不可代替手段,是聚變堆走向工程應用前解決聚變中子學及相關核技術問題的必要實驗平臺。

中國科學院核能安全技術研究所/FDS團隊長期從事新型核能系統中子學理論和中子高效利用方法研究,取得了一系列具有重要國際學術影響的成果[10-14］,創建了中科院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室。為進一步開展創新中子學理論模型的實驗驗證和相關核技術實驗研究,FDS團隊牽頭開展了強流氘氚聚變中子源HINEG(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator)的設計建設,中子產額最終設計指標達1014～1015n/s。HINEG建成后將為我國在物理學、材料學、生命科學、國防科研和先進核能開發等學科前沿基礎研究和高新技術開發提供先進研究平臺。本文給出了HINEG總體方案設計與分階段研發進展,并介紹了在高載熱旋轉氚靶和強流離子加速器的技術創新,以及利用HINEG進行相關實驗及應用研究規劃。

1 總體方案設計

1.1 設計目標與技術路線

HINEG設計研發主要面向中子學基礎研究、先進核能系統(聚變堆、第四代裂變堆等)部件核性能工程測試及其他核技術應用。考慮到以上實驗需求與現有的加速器型中子源的技術水平,HINEG設計研究分為兩階段,設計與研制總體路線如圖1所示:

圖1 HINEG設計與研制路線圖

HINEG-Ⅰ以滿足中子學基礎研究為主要目標,設計為直流/脈沖雙模式。直流模式中子強度為1012n/s量級,用于開展中子學方法程序與核數據驗證、材料活化與輻射防護研究;脈沖模式實現納秒級中子脈寬、頻率達兆赫茲級,利用飛行時間法(TOF)可進一步滿足實驗對于1～14 Me V中子能量高分辨的需求。針對HINEG整體需求,實驗大廳建成半地下式結構,并在直流靶室設置局部屏蔽,滿足屏蔽需求。實驗大廳同時充分考慮飛行時間法的測量需求,設計最大脈沖中子飛行距離15 m,并且可全角度開展能譜測量。輔助系統設計包含輻射監測系統、人員安全聯鎖系統、屏蔽門系統、氚凈化系統等,保證人員和環境輻射安全。

HINEG-Ⅱ以滿足部件核性能工程測試需求為主要目標,中子強度設計指標為1014～ 1015n/s量級。HINEG-Ⅱ可用于材料輻照損傷機理和米級大尺度部件中子學性能等核技術基礎研究,同時也可在核醫學與放射治療、核測井與探礦、同位素生產和中子照相等領域拓展核技術應用研究。相對于HINEG-Ⅰ, HINEG-Ⅱ流強提高約2～3個量級,對氚靶系統散熱、強流離子束產生與傳輸提出了新的技術挑戰。其中氚靶系統散熱將采用陣列射流、陣列噴霧,同時結合納米流體等新型技術;強流離子束傳輸將重點發展強流低發射度離子束引出、高空間電荷效應下的離子束傳輸、強流離子束加速等關鍵技術。

1.2 HINEG-Ⅰ方案設計

HINEG-Ⅰ為直流/脈沖雙模式氘氚聚變中子源,其系統主要由高壓電源、離子源、低能傳輸段(螺線管透鏡和導向器)、加速管、高能傳輸段、脈沖化裝置和氚靶系統組成。直流和脈沖兩種運行模式下的氘離子束流強度、束包絡、傳輸元件均不相同,因此在HINEG-Ⅰ的設計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計,在束流經過加速后使用偏轉磁鐵形成兩條束線,分別用于產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內,從離子源中引出的氘離子束,通過加速管加速,隨后以開關磁鐵實現直流脈沖雙模式切換。直流模式離子束沿直線通過,經導向器和三單元四極透鏡聚焦后轟擊旋轉氚靶,產生強流中子;脈沖模式離子束偏轉90°傳輸聚焦后通過切割器、導向器和聚束器形成脈沖氘離子束轟擊氚靶,產生納秒級脈沖中子束。目前HINEG-Ⅰ中子源系統已經完成全部安裝和多種實驗調試工作,并成功產生氘氘中子和氘氚聚變中子,中子源強已達1.1×1012n/s,強流加速器和高速旋轉靶系統實現連續穩定運行。

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

圖2 HINEG-Ⅰ直流束線與旋轉氚靶系統

1.3 HINEG-Ⅱ方案設計

HINEG-Ⅱ中子流強設計指標達1014～ 1015n/s量級,擬分為A/B兩子階段,重點針對離子源、高載熱氚靶系統進行技術研發和改進。其中A階段的設計目標中子強度為1013n/s量級。B階段將通過研制強流離子源來實現安培量級的到靶束流,實現中子流強1014～1015n/s量級,后期利用多條加速器組成加速器陣列等多種方式,實現中子流強的進一步突破。同時, HINEG-Ⅱ高載熱靶系統將采用高速旋轉、陣列噴霧、納米流體等新型散熱技術,以解決50～200 k W/cm2高熱流密度的散熱難題。

HINEG-Ⅱ已經完成了總體方案設計與可行性論證,目前正在開展核心部件的研制工作,包括200 m A ECR離子源、安培量級強流離子源、1014～1015n/s高載熱氚靶系統的研制。其中高載熱氚靶系統已經開展了熱工測試實驗,通過研制的高載熱散熱技術實驗平臺,成功驗證了氚靶系統擬采用散熱技術的可行性。

2 關鍵部件技術

2.1 高載熱旋轉靶

氘氚聚變中子源為產生高流強中子,必須使用高流強氘離子束轟擊含氚靶片,從而給靶系統帶來了高效散熱難題。例如HINEG-Ⅰ35 m A/ 400 ke V氘離子束到靶可產生10 k W/cm2熱負載,若不加散熱,靶點在0.1 s內即升溫至1 000℃以上。后期HINEG-Ⅱ靶熱負載可達50 k W/cm2。靶系統已成為制約中子流強提高的關鍵障礙。本節擬從高效散熱技術、靶片基底導熱技術和機械傳動與密封技術三方面闡述HINEG高載熱旋轉靶研究進展。

(1)高效散熱技術

HINEG-Ⅰ靶系統采用直噴水冷卻散熱技術,冷卻水從靶片中心處流入,通過對流換熱對靶片進行冷卻。實驗證明,該散熱技術配合1 000 rpm轉速可有效地實現HINEG-Ⅰ氚靶系統的冷卻,在10 k W/cm2熱負載下可將靶點溫度控制在200℃以下。對于HINEG-Ⅱ氚靶系統,由于氘離子流強相對HINEG-Ⅰ提高2～3個量級,熱負載可達50 k W/cm2。目前已有的直噴水冷卻技術無法滿足靶系統的散熱需求,后期擬采用陣列噴霧或陣列射流方式直接冷卻靶點和束流環帶,同時探索納米流體冷卻介質散熱技術。

近期針對1014～1015n/s量級中子強度靶系統的工況,已研制成功高載熱靶散熱技術實驗平臺(如圖3)[10］。平臺為1∶1真實尺寸HINEG-Ⅱ靶系統靶盤,能夠測試陣列噴霧、陣列射流和納米流體三種強化傳熱技術。陣列射流實驗結果與理論數值模擬結果顯示(如圖4,其中Ts為靶片表面最高溫度,Q為加熱功率),該平臺在冷卻劑流量為30 L/min時的等效對流換熱系數約為57 000 W/(m2·K),具有較高的強化散熱能力,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的正常穩定運行。

圖3 高載熱靶散熱技術實驗平臺

圖4 射流實驗與數值模擬結果對比

(2)靶片基底導熱技術

HINEG靶系統靶片基底材料導熱性能在一定程度上會影響氚靶系統整體的傳熱效果。對于HINEG-Ⅰ靶系統,使用鉻鋯銅作為靶片基底材料即可滿足需求。對HINEG-Ⅱ氚靶系統,需要探索具有更高熱導率且機械性能良好的復合材料,該類材料同時具備熱導率高、熱膨脹系數低、綜合力學性能良好、可鍍覆性與可加工性好等優點,如金剛石復合銅,金剛石復合鋁等。

(3)機械傳動與密封技術

HINEG-Ⅰ氚靶系統設計轉速為1 000 rpm,采用帶輪傳動技術,已穩定測試運行250 h以上,其中不間斷運行超100 h。HINEG-Ⅱ氚靶系統設計轉速為5 000～10 000 rpm,傳統的帶輪傳動技術已無法滿足要求,擬探索氣動渦輪傳動等新技術應用于靶系統的超高速旋轉。同時高速旋轉將帶來新的冷卻劑和真空的動密封技術難題。

對于冷卻劑動密封,HINEG-Ⅰ靶系統的機械密封技術適用于轉速1 000 rpm的情況,不適用于5 000～10 000 rpm高轉速。后期擬采用迷宮結構來實現冷卻劑的非接觸式密封,消除接觸式摩擦,解決高轉速的冷卻劑密封問題。對于真空動密封,為確保中子發生器氘束流傳輸空間的工作真空度,HINEG靶系統采用磁流體密封技術,該技術已成功應用于HINEG-Ⅰ氚靶系統,后期將改進該項真空動密封技術。

2.2 強流離子加速器技術

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

(1)強流低發射度離子束引出

HINEG-Ⅰ采用電子回旋共振離子源結合五電極引出系統設計,在50 m A強流離子束引出的同時將束流的發射度控制在小于0.2 pi.mm.mrad范圍。電子回旋共振離子源具有引出束流強度大、束流發射度低、單原子離子比高、束流穩定度好、離子源壽命長等諸多優點。HINEG-Ⅰ采用的五電極引出系統,優化了引出區域的電場位型,與傳統三電極引出系統相比,極大地提高了對引出區域束流發射度的控制,實現了低發射度強流離子束的引出。HINEG-Ⅱ將采用微波離子源結合緊湊型多孔多電極引出技術,擬實現安培級強流離子束引出。

(2)強空間電荷效應下的離子束傳輸

低能強流離子束在傳輸過程中,空間電荷效應非常明顯,對強流束具有發散作用,使束流的傳輸效率下降。HINEG運用空間電荷補償機制,在靜電元件中增加空間電荷中和效應,有效地抑制了空間電荷效應對束流的發射作用。離子源引出的離子中,還含有D2＋和D3＋等雜質離子。雜質離子轟擊氚靶,一方面會縮短靶片的壽命,另一方面會影響中子能譜。HINEG創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計,對D＋離子束匯聚的同時,對D2＋和D3＋發散。在加速管入口處可以將雜質離子的比例降低到3%以內,保證了強流離子束的傳輸。

(3)強流離子束的加速技術

HINEG采用高梯度均勻場的高壓靜電加速管,以增強聚焦能力,縮短加速距離。加速梯度達到18 k V/cm,加速區總長度僅230 mm。有效地控制了空間電荷效應所引起的發射度增長和束流損失。其次在加速管出口處耦合了一個空間電荷透鏡,增加加速管出口位置處的空間電荷中和度,進一步降低了加速管出口處的空間電荷效應的影響。

3 實驗規劃與應用展望

HINEG建成后可針對先進核能開發、國防科研等應用領域,開展物理學、材料學、生命科學等學科前沿基礎研究和高新技術開發。HINEG可用于模擬未來聚變堆內的中子環境,開展氚增殖、能量提取、材料活化與損傷等聚變能技術相關科學實驗;HINEG上經過慢化的中子也可用來模擬正在發電的裂變反應堆和未來先進反應堆堆內的中子環境,開展核輻射安全相關實驗研究。

HINEG-Ⅰ以滿足中子學基礎研究為主要目標,前期計劃開展實驗如下:1)中子學方法程序與核數據:開展小尺度的中子學宏觀驗證實驗,驗證先進核能系統中子學設計與分析所需的方法、程序及核數據,為聚變堆、鉛冷快堆和加速器驅動次臨界系統等先進反應堆設計與安全分析提供分析工具與基礎數據。例如,驗證我國擁有完全自主知識產權的超級蒙特卡羅核計算仿真軟件系統Super MC[15］;又如,利用脈沖模式測量中子核反應截面數據,開展(n,p)、(n,t)、(n,3He)和(n,α)等嬗變反應的截面測量,這些嬗變反應通常是高能中子與聚變堆第一壁材料或結構材料中的Cu、Fe、W、Ni等元素之間發生的,這些反應會產生氫、氦等氣體對反應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,特別是角分布和能譜測量數據國際上幾乎空白[17］;又如,開展Fe、Li、Pb等核素的中子誘導光子產生微觀截面測量,可服務于聚變堆超導線圈的屏蔽設計[18］。2)輻射屏蔽與防護:開展輻射屏蔽宏觀驗證實驗驗證屏蔽設計及屏蔽材料材料性能;開展高能中子輻射生物學基礎研究,揭示DNA雙鏈斷裂及其修復機理,完善高能中子輻射損傷因子測定,為高能中子輻射防護與環境影響評價提供數據支持。

HINEG-Ⅱ以滿足部件核性能工程測試需求為主要目標,前期計劃開展實驗如下:1)材料活化與輻照損傷機理:例如開展反應堆結構材料CLAM鋼[19］和15-15Ti不銹鋼的輻照損傷基礎機理研究,獲得聚變中子輻照對材料微結構及性能的影響規律,為輻照數據庫提供重要數據。2)部件核性能:例如,利用高流強中子開展聚變包層(如DFLL液態包層[20,21］、HCCB固態包層[22］)的工程模型實驗,測試聚變環境下包層的氚增殖、部件的核熱沉積等方面核性能是否滿足工程設計要求。

同時HINEG也可在核醫學與放射治療、核測井與探礦、同位素生產、中子照相和中子活化分析等國民經濟和人民生活直接相關的領域實現研究應用,帶動新興產業發展。如快中子照相技術:快中子具有更強的穿透能力,能夠分析大尺度復雜器件中元素的空間分布和材料結構差異等信息,可滿足航空航天、核材料和軍工等領域需求;醫用同位素生產:利用HINEG強流氘氚中子源可使用低濃縮鈾靶或98Mo靶生產醫用放射性核素99mTc,監管成本低且生產靈活,具有廣闊的應用前景;快中子活化分析技術:利用快中子活化高精度測定痕量元素(如O、Si、P、Te、Pb等),滿足在冶金、生物、環境、地質和考古等各方面的應用需要。

4 總結

本文深入分析國內外氘氚聚變中子源發展現狀及需求,設計了強流氘氚聚變中子源HINEG,并詳述了高載熱靶和強束流傳輸等關鍵技術創新。HINEG-Ⅰ設計為直流脈沖雙模式,其中直流模式已成功產生中子強度為1.1×1012n/s的氘氚聚變中子。HINEG-Ⅱ中子強度設計指標為1014～1015n/s量級,重點針對離子源、高載熱氚靶系統進行技術研發和改進。HINEG中子源可開展中子學方法程序與核數據、輻射屏蔽與防護、材料活化與輻照損傷機理和部件中子學性能等核能與核安全研究,同時也可在核醫學與放射治療、同位素生產、中子照相等領域拓展核技術應用研究,帶動新型產業技術發展。HINEG裝置的建成對我國和世界核能與核技術應用研究都具有重要意義。

致謝：

本文的工作得到了FDS團隊其他成員和中國原子能科學研究院、中科院近代物理研究所、西北核技術研究所、中國工程物理研究院、中科院上海應用物理研究所和國內外其他單位的技術支持,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

國家磁約束核聚變能發展專項(批準號:2014GB112000,2014GB116000)

吳宜燦(1964—),男,安徽人,研究員,博士生導師,從事先進核能系統相關設計研究