高强度聚变-裂变混合中子场构建技术研究

材料的耐辐照问题是发展聚变能的一个关键和瓶颈问题，高强度聚变-裂变混合中子场对于材料的辐照性能研究有着重要的意义，具有广阔的应用前景。在热中子反应堆内，利用LiD转换靶是构造出高强度的聚变-裂变混合中子场的重要途径，但聚变14MeV中子的转换效率与LiD转换靶的成分、转换靶结构、入射中子能谱以及LiD中氚的沉积率之间的关系尚未有深入的研究。本课题拟以MCNP、TRIM、DROSG等程序构建理论分析平台，研究裂变反应堆中子在LiD靶及含氚LiD靶中产生聚变14MeV中子的物理过程，探索转换靶的转换效率与转换靶内同位素成分、转靶结构及入射中子能谱的关系，探讨提高转换靶转换效率，获取高强度聚变-裂变混合中子场的技术途径，并通过原理验证实验，验证理论计算方法、计算模型的准确度。在实验的基础上，掌握高强度聚变-裂变中子场物理设计技术，为高强度聚变-裂变混合中子场的构建提供理论及设计依据和实验方法。

本项目厘清了转换靶内产生聚变中子的物理过程，梳理出研究堆内设计构建聚变-裂变混合中子场需要关注的三个关键参数：转换效率K、发射系数η、入射中子吸收率Q。针对这三个因素，建立了所需的理论分析软件平台，包括堆物理分析平台和转换过程模拟平台，为聚变场设计提供支撑。堆物理分析平台利用Wims/SN/Citation程序，给出转换靶外围的中子能谱等主要中子场参数；转换过程模拟平台RSMC实现了转换靶内的中子及带电离子输运聚变全过程的跟踪模拟。设计平台程序的正确性经过了充分验证。. 根据理论设计，加工了两种结构简单易于测量的聚变中子转换靶，材料为6LiD、6LiD/H（D、H各50%）。针对测量中背景裂变中子成分较高、待测量K无法直接测定的挑战，设计了合适的实验方案，选取了适当的间接量。开展了堆内辐照与转换效率测定实验，得到了聚变中子注量率、场的中子能谱、以及转换效率K。测得的两种靶的转换效率分别为1.92E-04与1.1E-04，与理论预测基本相符，也与国外其他相关实验结果大体一致，印证了理论计算分析方法及平台的合理性与可靠性，为高强度聚变-裂变混合中子场的构建提供了实验上的依据支撑。. 根据理论分析与验证实验测量结果，完成了靶成分与结构对聚变中子场影响的分析优化。完成了长寿命转换靶装置的设计，该装置的入射中子利用效率高，辐照空间充足，结构承压可达到10atm，其中心聚变中子注量率达到10E+10n·cm-2·s-1，累积注量可以达到8E+16n/cm2。为提升中子吸收率Q，探讨了堆内辐照位置与堆内中子阱结构对Q的影响。理论计算表明中子阱的引入可使聚变中子注量率提高2倍，且能降低低能中子成分，包括热中子、超热中子与裂变中子。掌握了提高聚变-裂变混合中子场的技术途径。. 在完成项目预设任务基础上，加工了长寿命聚变靶装置，对其水密封性、包壳材料缺陷等多项指标进行了检测，检测结果表明靶件承受40atm冲压后结构强度依然满足要求。对其中子学参数也进行了测量，实验得到双圆盒式与多孔式靶聚变中子注量率分别可以达到7.76E+09、8.47E+09n/cm2/s，反推得到6LiD的转换效率约1.77E-4，与理论预测基本相符，也与以前实验结果一致。装置的各项指标与设计基本相符。.