[发明专利]一种适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统

说明书

技术领域

本发明涉及氘氚聚变中子源的高载热靶系统。通过该发明可实现氚靶系统在承载大于100kw/cm²的氘束流轰击的同时保持靶片的较低温度小于200℃，进而产生14MeV高能聚变中子。

背景技术

超高流强氘氚聚变中子源利用加速器产生的高能强流氘束流轰击氚靶，发生氘氚聚变反应产生14MeV单能中子，氚靶系统是此类中子源的核心部件，氚靶系统的性能直接决定了中子源性能的核心参数—中子产额和运行稳定性。超高流强氘氚聚变中子源的靶片，通常采用导热性能良好金属作为底衬，在厚度为毫米量级的底衬表面上镀膜，然后利用膜吸附氚或氘，从而将氚或氘固定在靶片上。影响氚靶系统稳定运行最关键的因素是如何控制靶点的较低温度。当强流氘离子束轰击氚靶时，根据中子源强的不同，所需的氘束流的能量和流强也不同，例如针对目前较常规的到靶能力为400keV的中子源，为获得1×10¹²n/s中子源强，氘束流的流强需要最达到5mA，氘束流能量为2kw；为获得1×10¹³n/s中子源强，氘束流的流强需要最达到50mA，氘束流能量为20kw；为获得1×10¹⁴n/s中子源强，氘束流的流强需要最达到500mA，氘束流能量为200kw；中子源的氘氚反应中，氘氚反应消耗的能量占束流能量的比例很小，绝大部分作为热量沉积到靶片上，针对中子源的实验需要，氘束流的束斑直径一般为1～5cm，因此，针对不同源强的中子源，靶片所需要承受的氘束流轰击的热流密度为2kw/cm²至100kw/cm²及以上，针对如此高的热量沉积，如果对靶片没有做到有效的冷却，靶片会瞬间融化，同时针对固态吸氘或吸氚靶片，一旦靶片温度超过200℃，靶片中的氚或氘会大量释放，不仅使得中子产额与氚靶片寿命的直线下降，而且放射性的氚会增加氚净化系统的负担，造成潜在的环境污染风险。因此靶片在承受高热流密度情况下保持靶片较低温度是中子源靶系统设计的关键问题，也是超高流强氘氚聚变中子源提高中子产额、增加运行稳定性的保障。

随着先进核能与核技术应用的发展，现有聚变中子源越来越难以满足聚变能、裂变能、国防、核技术利用等领域日益增长的实验需求。尤其是中子产额在10¹⁴-10¹⁵n/s量级的超高流强聚变中子源将是开展聚变中子学实验来验证聚变中子输运理论、完善核截面数据的有力工具，是实现聚变堆材料辐照测试，研究结构材料、绝缘材料、诊断部件等在高流强聚变中子辐照环境下的性能变化趋势及机理的不可代替手段，是聚变堆走向工程应用前解决聚变中子学及相关核技术问题的必要实验平台。具体举例如下：以聚变材料辐照实验为例，国际热核实验堆ITER赤道面第一壁中子负载达到0.78MW/m²，对应聚变中子通量约为4×10¹³n/s·cm²，结构材料所承受的辐照剂量在国际热核聚变实验堆ITER装置中约为1～3dpa(ITER实际D-T燃烧时间仅为2.3％)，在聚变商用堆中可高达150dpa以上。要开展聚变材料辐照损伤机理研究，获得有参考价值的研究结果，要求辐照空间内的中子通量与ITER第一壁处相当，材料辐照剂量至少达到1dpa量级。若使用现有的流强为10¹²n/s量级的中子源，中子通量最大处约10¹¹n/s·cm²量级，辐照时间约需要100年，而如果用流强为10¹⁴n/s量级的中子源则中子通量最大可达10¹³n/s·cm²量级以上，只需要1年时间。因此，即便仅是14MeV中子对材料的辐照损伤的机理研究，基于现有中子源也难以开展。同时超高流强聚变中子源也可在核医学与放射治疗、核测井与探矿、同位素生产、中子照相和中子活化分析等国民经济和人民生活直接相关的领域实现研究应用。如快中子照相技术：快中子具有更强的穿透能力，能够分析大尺度复杂器件中元素的空间分布和材料结构差异等信息，可满足航空航天、核材料和军工等领域需求；医用同位素生产：利用强流氘氚中子源可使用低浓缩铀靶或⁹⁸Mo靶生产医用放射性核素^99mTc，监管成本低且生产灵活，具有广阔的应用前景；快中子活化分析技术：利用快中子活化高精度测定痕量元素(如O、Si、P、Te、Pb等)，满足在冶金、生物、环境、地质和考古等各方面的应用需要。