国际热核聚变材料辐射装置调研 - IFMIF

内部资料，未经允许不得扩散内部资料，未经允许不得扩散信息资源类型：调研报告国际热核聚变材料辐射装置-IFMIF李天鹤中国科学院核能安全技术研究1-介绍TheInternationalFusionMaterialsIiiadiationFacilityC国际热核聚变材料辐射装置）,IFMIF,是一个用于测试聚变用材料的装置，其目的是测试核聚变反应堆所用材料的可行性。IFMIF的建设准备工作按预期已经在2006年开始，尽管发挥其实际的测试功能至少被排在2017年之后。其中有两个平行的笊核加速器，产生的笊核粒子束撞击锂元素标靶，反应后产生人屋高能中子来照射样本材料和被测试成分。该装置町以通过在适当的周期内（几年）产生人量且能量适中的中子来模拟未来商业聚变反应堆中材料受照射情况，从而可以测试在极端情况下材料的长期行为。聚变发展至今，安全、经济可行性与尊重环境将是热核聚变能源进行大规模普及必不可少的条件，而其中材料的抗辐照性和低活化性问题则是一个关键。IFMIF这一装置将着力于发展相关聚变材料，当它们曝露在高能粒子环境当中时，能否有足够的抗辐照能力。材料的测试需要强人的高能粒子源流（中子）。但是，目前尚没有达到高于数兆电子伏特的强人中子源流。IFMIF将提供这样的高能中子流，以便能够在其整个使用寿命周期上测试用于热核聚变反应堆材料样品。该项目由欧盟、口本、俄罗斯及美国等共同参与的能源领域的最人国际合作项目之一，同时也是聚变领域最重要的两个国际合作项目之一（另外一个是ITER）。2.结构RFPowerSvstcmAccessCellAcceleratorSystemsOiliceComplexIargetand\TestCellRFPowerSvstcmAccessCellAcceleratorSystemsOiliceComplexIargetand\TestCell8LithiumSystem图1一一总体3维视图如图1所示，IMFIF由几个部分组成：加速器、靶、测试室和电力系统等。其中加速器、锂循坏系统和处理系统都位于地面之卞，主要的电力系统和热室等设施在地面上。

测试室中有三个垂直测试组件，其中两个(VTA1/VTA2)用于测试中高通量区，而一个垂直通量照射管(VIT)则用于低通量和超低通量的测试。三个测试组件适用于很广的中子通量范I韦I,在测量中町从O.Oldpa/y跨度到50dpa/y°运用IFMIF实验的测试结呆，能逐步建立一个先进的聚变反应堆工程设计数据库，以便掌握并运用各种材料。锂靶部分由两部分组成。一部分是靶本身，该部分必须呈现稳定的锂射线束，以便于氛核撞击后产生中子。第二部分是锂循环，该循环消除靶组件中氛粒子束的热沉枳。锂循坏可以保持锂的高纯度以满足辐射安全，还能最人限度的减少热锂流对循坏系统结构材料的腐蚀。加速器系统是IFMIF的核心部分，每个约长50,产生的粒子束旋转90度后几乎重叠，共同射向锂靶。IFMIF要求250niA的九粒子束，因此两个平行加速器分别产生125mA.40MeV的粒子束通过90度的转向而重叠产生250111A的笊粒子束。这种技术的优势在于不仅保留了射频直线加速器技术的当前功能，并且能允许在其中一个加速器出状况的情况下另一台125111A的加速器仍能正常运行，因此可以方便维修与更换部件。每个125mA的加速器有足够的降额，但不能升级，若要升级则需提供新的模块。运行过程：亂核进入加速器——加速器加速氛核一高速氛核轰击液态锂靶一产生高能中子一中子流进入测试室一高能中子流辐照材索——测试材料辐射性质Accelerator

(125Accelerator

(125mAx2)SourceLEBTMEBTlWmADr鼠0"itorSupdrcondfetinginacHEBT914.S2640MeV)»100keVSourceLEBTMEBTlWmADr鼠0"itorSupdrcondfetinginacHEBT914.S2640MeV)»100keV5MeVOOMBOMRFPowerSystemBeamshape:200x50mm2High(>20dpa/y#0.5L)Medium(>1dpa/y,6L)Low(<1dpa/y,>8L)图2-总体一维图3.实娶IFMIF实验的首要任务是开发聚变材料数据来确定材料能否适用于整个堆芯寿期。同时，IFMIF产生的实验数据也可以作为其他裂变堆和加速器实验装置的验证标准并可用于校准其数据。IFMIF可以测得特殊材料的活化特性和放射特性等数据，并将数据分析后用于材料的安全、维修、回收、退役和废物处理系统中。聚变所用材料广泛且复杂，例如放射环境相当严峻的第一壁和包层处的结构材料，这也是聚变商用化在经济性和科技性上所遇到的最人难题：包层必须满足辐射屏蔽和亂增殖以及热能转换等功能：瓷绝缘子和光学材料在聚变等离子体的加热、控制和诊断上是必不可少的；还有偏滤器和超导磁体等等。因此，IFMIF应开发一个类似于ASME压力容器规范设计代码的聚变材料数据库，未来的聚变装置将会应用数据库中的材料性质数据。数据库中也将包含材料在辐照前和辐照后的性能对比等。IFMIF开发的聚变材料数据将应用于以卜几个方面：根据材料辐照特性开发相关工程数据库。修正和校准裂变堆辐照和其他的轻重离子仿真实验产生的数据。通过IFNDF测试的材料将应用于ITER。实验参实验参实验材料的选择必须要有针对性，对于不同用途的材料要进行不同的实验。对不同的材料，施加的计虽和温度等参数也大为不同，不同部件辐照后所关注的参数也有所不同。下面几个表将具体列出不同部件的实验参数。MaterialsDose(dpa)Temp・(°C)FM1,FM2,FM3*,11,I2*20-150300FM1,FM2,FM3*,Van1,Van2,Van3*,I1tI2*,SiC120-150400FM1,FM2,FM3\Van1,Van2,Van3*,I1tI2*20-150500Van1,Van2,Van3*,SiC1,SiC2,I320-150600SiC1,SiC2,I320-150800SiC1,SiC2,I320-150WOO表1•聚变包层和结构材料在IFMIF中高通量区测试表1中显示了不同成分的包层和结构材料在IFMIF中高通虽:区进行实验时所需施加的剂呈和温度实验参数。直径(mm)厚度(mm)温度(9)测试顼目剂量Disk102400600800现场笊释放中子辐照锂泵辐射损伤最人30dpa小球1010温度梯度机械完整性尺寸变化矗度变化抗断强度球床11温度梯度微观结构变化忒/氮滞留热导率增殖剂51.5400500600兼容性30dpamax.结构51.5400500600表2•陶瓷壇殖器样品测试表2中显示了陶瓷瓦增殖器中不同类型的样子所需要不同尺寸、温度和实验项目等实验参数。2.0MWy/m2ITERInboardMid-PlaneDEMOOutboardMid-PlaneSS-316钢20.317.5MANET钢20.217.3V-15Cr-5H20.918.9AI2O318.817.6U4SIO49.45.7BeO11.110.8表3-DEM0和ITER第一璧不同材料的dpa表3中显示了第一壁在两个聚变堆中用不同材料时的dpa参数。

冷却剂入口压力0.12-0.35MPa当虽平均水力直径10.5mm冷却液泵流速11.0-25.0m/s帘诺数3x104基木膜层散热系数t1030W/m2K质:&流率0.2kg/s体积流址0.17m3/s冷却剂入口温度50C冷却剂出口温度62C压降<0.04MPa所需压缩比1.2压缩产生的温升10K表4■氮冷却剂参数实验类型：•封装实验PIE封装实验人多数是为了测试高通量区结构材料。为避免测试室冷却剂的污染，人多数实验样品分别封装起来。每个样品尺寸取决于包装壁和样品本身的最大温差，该最人温差不能超过10。（3。°在高通屋区（10-20dpa）进行的辐照实验，测试组件将会在辐照装置停机时取出并更换。因此，必须严格把关温度控制和中子通量及剂量的监测。从其他反应堆辐照或者辐照实验中我们深知温度变化对材料的属性及辐照缺陷的产生有非常人的影响。因此需要在粒子束变化或中断的情况下控制温度。一些受辐照后的低剂量封装实验利用介质和IFNHF测试室中的低剂量区域。•原位实验（（in-situExperiment）原位实验需要建立一个材料设计数据库，在某些情况下必须保证材料数据测量的正确性。然而，由于IFMIF中高通量区高通量区的原位实验仪器太占体枳，因此只有一小部分原位实验是为结构材料设计的。（例如，蠕变/疲劳实验和辐射影响的应力腐蚀开裂IASCC）。对于其他材料都要进行原位实验，特别是瓷增殖器、瓷绝缘子、射频窗II和诊断材料（光纤电缆、窗II、电磁线圈等）。对于所能预见的原位实验，以下进一步说明：•结构材料：蠕变/疲劳试验：原位蠕变和疲劳实验清楚地表明，辐照和机械负荷不能同时由常规辐照模拟。结果表明，常规PIE高估了辐照对元器件的使用寿命的影响，因此这种做法过于保守。理论上讲这样也是合理的，在辐照后的测试中辐射硕化效果是强于原位条件下辐照退火缺陷。原位研究需要进一步研究IASCC现象。因此，需要对此类现象的研究而开发专用原位测试设备进行现场测试。陶瓷增殖器：大多数聚变包层的设计都利用了运行中持续不断的舐再生（回收Recovery。在照射卞，其辐照特性、机械完整性和热性能等变化会导致亂释放性能的退化degradationoftritiumreleaseperfonnaiice。原位駅回收实验得出材料的预期寿命，随后进行PIE照射耐久性评估，材料通过评估将应用于DEMO聚变堆中。另外，其聚变增殖包层设计将用到陶瓷增殖器。水分（HTO或H2O）对陶瓷增殖器的辐照行为有很人影响，特别是其中L12O和材料性能。因此，耐辐照性测试采用气体。因此，所有的辐照试验、原位麻回收测试和PIE照射耐久性评估评价；热性能和相容性等原位实验中环境中的水含量和样品的温度皆由鼓风和温度控制系统控制。（例如，间隙气体控制等）。而瓷增殖器的微结构变化（L12O）取决于温度和温度梯度将会影响亂释放行为和耐辐照性。因此，亂释放和耐辐照性测试将会有两种样品类型。即1）照射温度控制在不同温度卜•的标本，条件是温度分布相当平缓2）具有较人的温度梯度的标本。为测试结构材料的相容性，样品的辐照温度应控制在某种程度上，以获得各种包层设计的兼容性数据。陶瓷绝缘子：近期的研究表明，在外加电场的情况下，陶瓷绝缘体受辐照有可能使其电阻率卞降，该现象被称为辐射感应电气降解（RIED）。而陶瓷绝缘子在辐照过程中没有的辐射诱导电阻率（RIC）在辐照后产生了。因此，绝缘陶瓷的电阻率的原位实验需要测试样品的RIC和RIED,以及辐射诱导电力等其他电现彖。尽管辐照后可以检测到RIED现彖，但为诱导该现象则必须在照射过程中对样品外加一个持续电场。液态金属自冷增殖包层上涂有一层薄的绝缘涂层，RIED现象对电势梯度的为100kv/m薄绝缘涂层有很重要的价值。由于RIC现象和RIED现彖将会增加介电耗损，并且关于陶瓷的介电特性和剂量在不同温度下的关系也只有相当有限的可靠数据，所以绝缘陶瓷的介电耗损原位实验同样有很重要的意义。除此之外，有一些受照射陶瓷有可能在常温储存下产生点退火缺陷，这会导致照射末期测量的介电损耗较低。原位测量的陶瓷绝缘体的热导也会因为受照后的点退火缺陷降低。在测量介电特性和热传导性的测量方法上，低温输运系统可以代替原位测量，并起到更好的效果。低温输运系统中，样品受照后迅速拿出测试室并放入低温储存装置中储存至可以测量。这样便可以避免点退火缺陷。辐照中可以测量光纤或窗II材料的发光现象。另一方面，可以在照射后检测到光吸收的辐射损伤。然而，光吸收会发生在低剂量区。因此，原位实验中的光学诊断材料对于确定它们的光学性质是有益的。在上述电特性的情况下也是同样。最后一类原位测试涉及到样机组件的照射。（例如，电磁线圈连接到长脉冲集成）很明显，低和非常低通量的测试室区域测量需很灵活，这样才能适应各种各样样机测试组件的预期几何形状和其他不可预见的原位实验。低温原位辐照：预期在未来十年内低温辐照装置将会广泛使用，但如今缺缺乏该装置。如果IFMIF能开发人部分超低通量区（温度在4K-200K）的材料辐射性质，那将是非常有用的。灵活的低温辐照装置将用于实验超导磁体材料、高分子绝缘等的照射。可以预见，各种超导材料的物理性质实验以及其他测试，例如在磁稳态材料的电阻率（通常是铜或铝）等将会进行原位实验。IFMIF测试辐照后材料的低温传导性能将也是一个不可或缺的功能。IFMIF也具备电子回旋加热系统（Electi-onCyclotronHeating—ECH）在低温卞的选择窗II进行材料辐照的窗II选择功能。它并不是要像ECH绝缘子（或为了防止照射后点退火缺陷而利用冷冻传输系统的介电特性那样进行原位测量。4•总结与展望木文对IFMIF的调研有一些针对性也有许多不足，下面将指出。该调研报告对IFMIF的总体设计、设施布局、功能用途以及原理有简要的介绍。对其功能和建成后将做的实验做了一个比较详细的介绍，并详细介绍了部分辐照相关的参数。对IFN1IF建成所遇到的理论困难以及工程建设所遇到的诸多问题并未给出详细的介绍和解答，也并未给出工程设计的参数。在其功能介绍前并未介绍IFMIF内的装置