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聚变中子辐照下氚增殖剂Li2TiO3的释氚行为与机制研究

批准号:
12105326
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王海霞
学科分类:
中子技术及应用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王海霞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
氚自持是氘氚聚变能工程应用和稳定运行须解决的关键技术之一。氚被增殖剂中的辐照缺陷俘获,会干扰其释放从而影响氚自持功能。作为氚增殖剂的重要候选材料,陶瓷Li2TiO3的氚释放行为及辐照影响机制是氚自持研究的重点课题。现有实验主要利用裂变中子、高能离子、高能电子和γ射线辐照增殖剂,进行模拟研究;但多个对比实验表明,不同射线由于影响机制等不同,形成的缺陷及对释氚行为的效应可能不同。目前还未见到聚变中子辐照对Li2TiO3释氚性能影响机制的公开报道。本项目拟采用氘氚聚变中子源提供14MeV中子辐照环境,结合释氚系统研究中子辐照参数对氚释放形态的影响,并采用X射线光电子能谱分析等技术探索氚在Li2TiO3材料中的可能占位,阐释中子辐照参数-化学态-释氚性能间的关联关系。该工作可提供Li2TiO3聚变中子辐照下的宝贵实验数据,为预测聚变堆真实服役环境下Li2TiO3的释氚性能、提氚系统的设计提供依据。
英文摘要
Tritium self-sufficiency is one of the key technologies for engineering application and steady operation of deuterium tritium fusion energy. Tritium is easy to be captured by irradiation defects in the breeder, which interferes with its release and affects its self-sufficiency function. As an important candidate material of the tritium breeders, Li2TiO3’s tritium release behavior and irradiation effect mechanism are the key topics of tritium self-sufficiency research. The existing experiments mainly use fission neutrons, high-energy ions, high-energy electrons and gamma rays to irradiate breeders for simulation research; however, many comparative experiments show that the defects formed by different rays and their effects on tritium release behavior may be different due to different influence mechanisms. Up to now, there is no report on the mechanism of the effect of fusion neutron irradiation on the tritium release performance of tritium breeders. In this project, the deuterium tritium fusion neutron source is used to provide 14 MeV neutron irradiation environment. Combined with the tritium release system, the influence of neutron irradiation parameters on tritium release form is studied. The possible occupation of tritium produced by fusion neutron in Li2TiO3 material is explored by X-ray photoelectron spectroscopy, and the correlation between neutron irradiation parameters, chemical state and tritium release performance is explained. This work can provide valuable experimental data of Li2TiO3 under neutron irradiation, and provide basis for predicting tritium release performance of Li2TiO3 under real service environment of fusion reactor and designing tritium extraction system.
氚自持是氘氚聚变能工程应用和稳定运行须解决的关键技术之一。氚被增殖剂中的辐照缺陷俘获,会影响其释放从而影响氚自持功能。作为氚增殖剂的重要候选材料,陶瓷Li2TiO3的氚释放行为及辐照影响机制是氚自持研究的重点课题。现有实验主要利用裂变中子、高能离子、高能电子和γ射线辐照增殖剂,进行模拟研究;但多个对比实验表明,不同射线由于影响机制等不同,形成的缺陷及对释氚行为的效应可能不同。目前还未见到聚变中子辐照对Li2TiO3释氚性能影响机制的公开报道。.本项目利用单位的强流氘氚聚变中子源HINEG-CAS提供14MeV中子辐照环境,累积10^15氘氚中子。结合单位自研的固态氚增殖剂释氚系统,探索了14MeV聚变中子辐照后不同氚增殖剂Li2TiO3从室温到1073K温度下的释氚行为,并采用材料表征手段探索释氚机制。.(1)释氚结果表明,氚释放形式包括氚气和氚水;两种不同氚增殖的产氚总量分别为1866.4Bq、1655.7Bq,均约80%作为HTO释放;均在~673 K时观察到HTO释放峰,但HT释放峰位置略有不同。.(2)材料表征方面,目前的加速器型氘氚聚变中子源辐照剂量似乎不足以支撑X射线光电子能谱分析(XPS)发现释氚行为与化学态之间的关系;但进一步采用量化电子回旋共振(ESR)测试结果显示,聚变中子辐照引入了E’中心缺陷,作为捕获氚原子在增殖材料中的捕获位点,且缺陷浓度随着辐照剂量的增大而增大,在氚释放后恢复。因此,缺陷捕获和同位素交换反应显著影响聚变中子辐照Li2TiO3的氚释放行为。.(3)另外,本研究首次发现在室温下少量但明显的氚释放(含氚气和氚水),这与惯性思维和大多数文献报道的不同。这意味着Li2TiO3在无高温驱动下可能发生了缺陷常温自愈合行为,其相关机制需进一步研究。..综上,本项目获取了Li2TiO3在14MeV聚变中子辐照下的宝贵实验数据并探索相关机制,为聚变堆真实服役环境下Li2TiO3的释氚性能、相关涉氚系统的设计提供一定的依据;室温释氚数据可为评估前人释氚操作潜在的氚损失、涉氚操作人员的安全评估和防护提供基础信息。项目圆满完成研究任务、达到研究目标。共发表第一标注SCI学术论文3篇(小一区、二区和三区各1篇)/参编英文书籍1部,发明专利/软著3项(授权1项、公开2项),获学术会议邀请口头/口头报告共3次;新批中国科学院国际伙伴计划项目1项
Li2TiO3氚增殖剂在中子辐照下的缺陷室温非热自愈合与氢表面化学协同释氚机制
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