全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克中性束注入窗口材料活化研究

陳玉慶，楊 振，吳 斌，李 軍，鐘國強，張瑞雪，王進芳，謝遠來

(中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031)

中性束注入(NBI)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克(EAST) 提高了熱等離子體的溫度， 同時也增加了束束聚變中子、束靶聚變中子，這使得等離子體中子出射強度明顯增加[1-6]。然而面向等離子體區(qū)域的中性束注入窗口完全是開放式，注入窗口內(nèi)壁材料易被活化。活化所帶來的停機劑量率和余熱對聚變堆中性束注入系統(tǒng)的安全運行和安全維護非常重要，尤其影響兩次放電間隙出現(xiàn)故障時的維修方案[7-8]。因此有必要研究EAST NBI窗口的活化與停機劑量率問題，為未來聚變堆中性束注入系統(tǒng)關(guān)鍵材料的活化與停機劑量率研究提供參考。

前期的模擬研究針對同向中性束注入時，泄露中子對EAST NBI 窗口材料活化及停機劑量率的影響。尚未對EAST NBI兩條束耦合后泄露的中子所造成的材料活化進行研究[9]。本工作利用普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室研發(fā)的TRANSP程序[10]研究兩條中性束同時注入后的中子強度，然后利用國際通用的中子光子輸運程序MCNP[11]模擬中子經(jīng)過同向束注入后，中子強度與能譜分布。最后利用歐洲國際輻照測試平臺IFMIF 開發(fā)的FISPACT程序[12]模擬研究不同樣品在窗口處的活化與停機劑量率，并利用高純鍺γ能譜儀對輻照樣品進行測量，利用活化后核素釋放的γ計數(shù)反推樣品的放射性活度。

1 研究模型與方法

1.1 研究模型

核聚變實驗裝置全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克(EAST)為非圓截面的環(huán)形全超導(dǎo)Tokmak裝置，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，故需要對EAST 及中性束(NBI) 幾何結(jié)構(gòu)進行簡化?？紤]模擬運算的耗時與評估的保守因素，本文采用二維中子輸運分析柱體半徑(R)-高度(Z)模型，研究兩條束線夾角為112.5°時，同向和反向束耦合后產(chǎn)生的中子對NBI窗口材料造成的活化與輻照損傷情況。 圖1為EAST NBI 簡化后基本模型。坐標(biāo)原點為EAST中心軸線和赤道面交接處。

a——垂直剖面；b——水平剖面圖1 EAST NBI RZ模型Fig.1 EAST RZ model

沿著EAST 裝置徑向方向依次為第一壁、硼水屏蔽層、內(nèi)外氮瓶、杜瓦等，NBI系統(tǒng)保留了關(guān)鍵部件漂移管道和束線本體真空壁。NBI窗口開口尺寸為95 cm×118.60 m，等效半徑為60 cm的圓截面。未來的聚變堆中性束注入窗口可能采用材料SS304和銅，故制作這兩種樣品放置在位置A，并對其中子學(xué)特性進行分析。不同區(qū)域的材料組分比和密度列于表1。

表1 同向束注入窗口位置A樣品材料組分比與密度Table 1 Material composition and densityof sample A at the co-NBI port

1.2 研究方法

1.2.1中子出射強度計算方法 雖然EAST 配套的U-235裂變中子探測器可以實時反饋等離子體芯部中子出射強度，但不能區(qū)分中子的具體來源，不能具體給出中子的空間分布。美國普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室基于托卡馬克實驗數(shù)據(jù)分析研發(fā)出TRANSP 程序，不僅考慮了多條束線耦合后的中子出射強度，還能模擬不同的中子來源對總出射中子的貢獻，并利用橢圓修正模型獲得整個等離子體區(qū)域的中子出射剖面。

1.2.2材料活化計算方法 中子輻照穩(wěn)定的核素A，使其變?yōu)椴环€(wěn)定的核素B，B以衰變常量λB進行衰變后變?yōu)楹怂谻，設(shè)中子的照射時間為t0，輻照后的冷卻時間為tc，則B在(t0+tc)時刻的放射性活度A(t0)為[12]：

(1)

式中，λB=ln 2/T1/2，s-1；φn為中子通量，cm2/s；σAB為反應(yīng)截面，cm2；nA為靶核體積密度，atoms/cm3；θA為核素A在自然界中的豐度。

核素B的放射性活度也可以利用高純鍺γ能譜儀反演獲得。假設(shè)經(jīng)過tm測量時間后，γ能譜儀的計數(shù)為C，則根據(jù)公式(2)可推斷獲得B的放射性活度。

(2)

式中：εP(E)為γ射線的全能峰效率(峰效率)，Iγ(E)為能量為E的γ射線的發(fā)射概率，fcgs為樣品的修正因子，tlive/treal為死時間修正因子。

利用γ能譜儀反推獲得放射性活度與FISPACT程序計算獲得的放射性活度進行校對和驗證。

2 結(jié)果與討論

2.1 中子強度與EAST NBI 運行參數(shù)的演化

中性束注入后，等離子體芯部總中子出射強度Sn=Sbb+Sbt+Stt。Sn為總中子出射強度(n/s)，Sbb為束束聚變中子出射強度(n/s)，Sbt為束靶聚變中子出射強度(n/s)，Stt為熱核聚變中子出射強度(n/s)。EAST及NBI的運行物理參數(shù)列于表2。

表2 EAST及NBI主要運行物理參數(shù)Table 2 EAST and NBI main operating physics parameters

典型71320炮中子出射強度與EAST和NBI 運行參數(shù)的關(guān)系示于圖2、圖3。從圖2、圖3中可以看出，TRANSP程序模擬的芯部中子強度最大值為1.4×1014n/s，U-235測量結(jié)果為1.38×1014n/s。TRANSP程序模擬的中子強度與U-235探測器獲得的中子強度基本吻合。該炮中，束靶中子84%，束束中子11%，熱核中子5%，說明大部分束功率沉積在等離子體靶上。圖2、圖3表明中性束注入后，發(fā)生了大量的束靶反應(yīng)，使得等離子體內(nèi)的中子出射率大大增強[13]，遠大于只有歐姆和低雜波加熱的中子出射強度。故可近似認為中性束注入的總有效時間即為中子輻照的時間t0。

圖2 EAS 典型運行參數(shù)-71320炮Fig.2 EAST operating parameters-71320 shot

圖3 NBI注入后中子產(chǎn)額隨時間演化Fig.3 The neutron yield vs injecting time

中子出射剖面與等離子體磁面相重疊，即一個磁面上發(fā)射的中子強度相等，故可采用修正的橢圓函數(shù)s(r)=S0(1-(r/a)2)1.65來描述EAST等離子體區(qū)域的中子空間分布。S0為等離子體芯部的中子出射強度，r為沿著小半徑方向的距離(0

p(E)=Cexp[-((E-b)/a0)2]

(3)

式中：C為歸一化常數(shù)，b為聚變中子的平均能量2.45 MeV，a0為聚變中子的譜寬。

2.2 NBI 注入窗口的中子能譜分布

中子能譜是影響材料活化與輻照損傷的重要因素之一?；贓AST NBI兩條束線耦合后的中子強度和幾何模型，利用國際通用的中子光子輸運工具MCNP研究中性束注入窗口的中子能譜分布。圖1b表明EAST 同向束與反向束幾乎呈對稱分布，兩者的中子能譜分布幾乎一樣。故以EAST NBI同向束注入窗口樣品位置A為例，研究該位置的中子能譜和通量分布，中子能譜采用通用的Vitamin提出的175能群。

模擬的中子能譜分布和通量分布示于圖4、圖5。模擬結(jié)果表明，EAST NBI輸送通道區(qū)域內(nèi)的中子通量大于真空壁外圍區(qū)域的中子通量，接近窗口區(qū)域的中子通量數(shù)量級為108n/(cm2·s)(圖4)，A窗口NBI真空壁外的中子通量約為107n/(cm2·s)。從A窗口泄露的中子通過NBI真空壁沿著束軸線傳播。真空壁的反射散射使得中子大部分留在束通道內(nèi)，從而使得NBI真空壁外的中子通量小于真空壁束通道區(qū)域。圖5表明樣品處的中子能量集中在0.1～2.45 MeV區(qū)間。由于本模型為二維RZ模型，為了與實際EAST模型接近，需要對模型進一步優(yōu)化。

圖4 EAST NBI中子通量分布Fig.4 Neutron flux distribution for EAST NBI

圖5 EAST NBI樣品處的中子能譜Fig.5 Neutron spectrum for EAST NBI sample

2.3 NBI 注入窗口樣品的活化分析

材料活化釋放的γ光子是停機輻射劑量率的主要來源。聚變堆中性束注入系統(tǒng)自身主要發(fā)生氘氘聚變，產(chǎn)生2.45 MeV中子。為了研究2.45 MeV中子對聚變堆中性束注入系統(tǒng)材料的活化與輻照位移損傷影響，本部分以聚變堆中性束系統(tǒng)可能用到的關(guān)鍵材料Cu和不銹鋼材料SS304為例，研究樣品的活化與輻照位移損傷情況。將2.2節(jié)獲得175能群中子能譜和輻照時間，作為材料活化程序FISPACT的輸入文件。基于表1的運行參數(shù)，獲得EAST NBI 同向束注入窗口A位置處樣品的放射性活度。樣品SS304和Cu在表1運行參數(shù)下的放射性比活度隨冷卻時間的變化示于圖6。

圖6 EAST NBI樣品活化分析Fig.6 EAST NBI sample activation analysis

不銹鋼SS304為NBI真空壁的關(guān)鍵材料。由于不銹鋼SS304成分復(fù)雜，其活化的核素多達20種，本文只考慮對放射性比活度貢獻較大的核素。冷卻1 min后，其總活度值為4.41×103Bq/kg。其中，58Ni (n,p)58mCo和58Ni (n,p)58Co核反應(yīng)產(chǎn)生的58mCo和58Co的比活度為3.75×103Bq/kg和5.22×102Bq/kg,占總比活度的85.1%和12.1%。58mCo的半衰期為9.04 h，而58Co的半衰期為70.86 d，故冷卻半年時間，58Co對比活度貢獻較大。即使冷卻1 a，其比活度也達到15.1 Bq/kg。具有中長壽命的58Co含量決定了SS304的活化程度。此外54Mn對不銹鋼SS304的比活度貢獻也較大。對于樣品銅Cu，中子誘發(fā)的主要核反應(yīng)為63Cu(n,p)63Ni與63Cu(n,γ)64Cu。主要的活化核素為63Ni和64Cu。64Cu的半衰期僅12.7 h，故冷卻至1 d后，具有長壽命核素63Ni (T1/2=100.1 a)成為樣品Cu的主要活化來源，活度為2.80 Bq/kg。

實驗上，借助于EAST中性束注入系統(tǒng)實驗平臺，在 EAST NBI同向束注入窗口位置A放置尺寸為1 cm×1 cm×1 cm的樣品Cu和SS304樣品。跟隨EAST NBI 實驗進行輻照。實驗結(jié)束后，將樣品取出，然后利用高純鍺γ能譜儀對樣品的γ能譜進行測量。圖7給出了EAST 及NBI 停機運行后樣品活化的γ能譜。其中60Co衰變后釋放的1.17和1.33 MeV的γ能譜峰值為本底峰值。雖然銅經(jīng)歷過長時間的輻照，由于其活化核素的半衰期較短，故很快衰減到本底水平。而對于樣品SS304，其活化后含有的中長壽命核素較多，故能明顯測量到51Cr、58Co、54Mn的γ能譜峰值。與FISPACT模擬結(jié)果相比，樣品多出了99Mo γ譜峰。這可能是樣品中Mo雜質(zhì)較多。活化測量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合(見表3)，不存在量級差。

圖7 活化樣品的γ能譜圖Fig.7 Gamma spectra of activated samples

表3 材料活化后放射性活度分析Table 3 Analysis of material activation

2.4 NBI注入窗口樣品處的停機劑量率分析

EAST停止運行或者兩次運行間隙，NBI工作人員可能需要接近裝置進行維修維護工作，因此研究實驗停止間隙或者運行后注入窗口的輻射劑量率，對確定工作人員的等待時間和維護方案的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。NBI注入窗口為NBI工作人員接收劑量率最大的位置。圖8為NBI 同向束能量為60 keV/30 A，反向束能量為55 keV/26.5 A，共同注入時間為3 s，脈沖間隙為600 s，EAST 等離子體電子平均密度為3.0×1013/cm，有效運行350shot時停機劑量率隨冷卻時間的變化。模擬結(jié)果表明，EAST停止運行約5 min后，NBI注入窗口材料活化誘發(fā)的停機劑量率低于10-5Sv/h(ITER設(shè)計的工作人員輻射劑量率限值)。即此時可進入EAST大廳，對NBI系統(tǒng)進行維護與維修。

圖8 樣品處的停機劑量率與冷卻時間的關(guān)系Fig.8 The relationship between the shutdown dose rate and the cooling time

3 總結(jié)

本文基于EAST 中性束注入系統(tǒng)二維模型，研究了同向和反向中性束耦合后，產(chǎn)生的中子對未來聚變堆中性束注入系統(tǒng)可能用到的關(guān)鍵材料SS304和Cu 的活化情況。當(dāng)兩條束同時注入EAST 后，中子的出射強度峰值可達到1.4×1014n/s。大部分為束靶反應(yīng)的貢獻，這表明中性束的加熱效果良好。然而，由于中性束注入窗口尺寸較大，故從窗口泄露的中子容易造成NBI 關(guān)鍵部件材料活化。理論和實驗?zāi)M結(jié)果表明，Cu被活化為64Cu與66Cu，其半衰期較短，故很快衰減掉。而對于不銹鋼樣品SS304，具有中長壽命的核素51Cr、58Co、54Mn為主要的活化核素。EAST兩條束耦合后，同向束注入窗口由中子活化誘發(fā)的停機輻射劑量率較低。當(dāng)EAST 停止運行5 min后，輻射劑量率低于IAEA規(guī)定的水平。本模擬結(jié)果為中國聚變工程實驗堆 (China Fusion Engineer Test Reactor, CFETR)NBI測試臺充氘運行時的材料活化特性研究提供了指導(dǎo)與借鑒。