全超導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

(中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031)

中性束注入(NBI)全超導非圓截面托卡馬克(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域的中性束注入窗口完全是開放式，注入窗口內壁材料易被活化?；罨鶐淼耐C劑量率和余熱對聚變堆中性束注入系統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關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等離子體物理實驗室研發的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非圓截面托卡馬克(EAST)為非圓截面的環形全超導Tokmak裝置，結構極其復雜，故需要對EAST 及中性束(NBI) 幾何結構進行簡化?？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、內外氮瓶、杜瓦等，NBI系統保留了關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，并對其中子學特性進行分析。不同區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。美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室基于托卡馬克實驗數據分析研發出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域的中子出射剖面。

1.2.2材料活化計算方法 中子輻照穩定的核素A，使其變為不穩定的核素B，B以衰變常量λB進行衰變后變為核素C，設中子的照射時間為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。假設經過tm測量時間后，γ能譜儀的計數為C，則根據公式(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 結果與討論

2.1 中子強度與EAST NBI 運行參數的演化

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的運行物理參數列于表2。

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

典型71320炮中子出射強度與EAST和NBI 運行參數的關系示于圖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，發生了大量的束靶反應，使得等離子體內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-71320炮Fig.2 EAST operating parameters-71320 shot

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

中子出射剖面與等離子體磁面相重疊，即一個磁面上發射的中子強度相等，故可采用修正的橢圓函數s(r)=S0(1-(r/a)2)1.65來描述EAST等離子體區域的中子空間分布。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，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。模擬結果表明，EAST NBI輸送通道區域內的中子通量大于真空壁外圍區域的中子通量，接近窗口區域的中子通量數量級為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，從而使得NBI真空壁外的中子通量小于真空壁束通道區域。圖5表明樣品處的中子能量集中在0.1～2.45 MeV區間。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自身主要發生氘氘聚變，產生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可能用到的關鍵材料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?；诒?的運行參數，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真空壁的關鍵材料。由于不銹鋼SS304成分復雜，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核反應產生的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，中子誘發的主要核反應為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模擬結果相比，樣品多出了99Mo γ譜峰。這可能是樣品中Mo雜質較多?；罨瘻y量結果與模擬結果基本吻合(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計具有重要指導意義。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。模擬結果表明，EAST停止運行約5 min后，NBI注入窗口材料活化誘發的停機劑量率低于10-5Sv/h(ITER設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系Fig.8 The relationship between the shutdown dose rate and the cooling time

3 總結

本文基于EAST 中性束注入系統二維模型，研究了同向和反向中性束耦合后，產生的中子對未來聚變堆中性束注入系統可能用到的關鍵材料SS304和Cu 的活化情況。當兩條束同時注入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 關鍵部件材料活化。理論和實驗模擬結果表明，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的停機輻射劑量率較低。當EAST 停止運行5 min后，輻射劑量率低于IAEA規定的水平。本模擬結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與借鑒。