一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置。在中子發(fā)生器主真空室外部，通過真空管道連接到一個大容積的氦處理真空容器。在氦處理容器內(nèi)，利用對氘氚氣體吸附量大，吸附速度快，而對非氫雜質(zhì)氣體吸附速度慢，對氦氣沒有吸附作用的吸氫合金吸附系統(tǒng)中的氘氚氣體，剩下的氦氣和非氫雜質(zhì)氣體由離子泵抽除。然后，適當(dāng)加熱吸氫合金，被吸附的氘氚氣體又重新釋放到真空容器內(nèi)部，實現(xiàn)在全封閉容器中，基本不消耗氘氚氣體，同時動態(tài)排除氦氣和其他雜質(zhì)氣體的目的。尤其適合用于全封閉長壽命高產(chǎn)額氘氚中子發(fā)生器。
【專利說明】一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及高產(chǎn)額氘氚中子發(fā)生器氦處理裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]小型中子發(fā)生器一般分為放射源中子發(fā)生器和加速器中子發(fā)生器，放射源中子發(fā)生器是利用放射性核素來產(chǎn)生中子，產(chǎn)額較低，壽命短。加速器中子發(fā)生器產(chǎn)額高，關(guān)斷電源后沒有中子產(chǎn)生，使用方便，可控性好，安全性較高。
[0003]加速器中子發(fā)生器是利用離子源產(chǎn)生的氘或者氘氚混合離子，經(jīng)過加速電場的加速，獲得較高的能量，在祀上發(fā)生氣/氣或氣/氣聚變反應(yīng)，在4 31方向上放出中子和氦粒子。
[0004]氘/氚聚變反應(yīng)截面大，產(chǎn)額高，但是氚是一種放射性物質(zhì)，屬于嚴(yán)格管控的核材料，國家對于其使用及排放都有極其嚴(yán)格的要求，因此氚的使用和排放處理成本很高。而采用氘/氘中子發(fā)生器則沒有這些管控要求；氘的價格也非常便宜，只有氚的幾萬分之一。但是氣/氣聚變反應(yīng)截面小，在小型氣氣中子發(fā)生器能量范圍70?3001^67之間，產(chǎn)額比氣/氚反應(yīng)低100?250倍左右。
[0005]如果了能夠解決氚排放問題，僅僅需要充入一半氚氣替換氘氣，就可以簡單地將原有氘氘中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額提升幾百倍，非常有意義。在保持產(chǎn)額不變的條件下，可以大幅度減小發(fā)生器尺寸，對于需要小束斑、小體積的應(yīng)用場合很有意義。
[0006]專利《自成靶中子管⑶202949621⑴〉中，介紹了常規(guī)密封式中子管的壽命主要是由于采用成品靶，不能高溫烘烤除氣，管子內(nèi)部的雜質(zhì)氣體不斷累積，造成產(chǎn)額降低和絕緣破壞，平均壽命小于100小時。該專利介紹一種密閉中子管，平均使用壽命為370小時左右。
[0007]東北師范大學(xué)報自然科學(xué)版1994年第一期《自成靶陶瓷中子管的主要技術(shù)特點》介紹分析了密封式中子管的技術(shù)現(xiàn)狀，雜質(zhì)氣體和真空度下降時影響使用壽命的關(guān)鍵因素，但是其所介紹的密封陶瓷中子管，在高溫烘烤后，雜質(zhì)氣體放氣率大幅度降低，使用壽命提升到500小時，產(chǎn)額104/8。但是，管子的氦氣和隨時產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體依然無法排除，尤其是小體積高產(chǎn)額的密封中子管，真空度下降依然很快，壽命還是不夠長。
[0008]影響壽命的主要原因之一還是內(nèi)部真空度下降，由于系統(tǒng)內(nèi)部初始吸附雜質(zhì)氣體經(jīng)過高溫排氣，基本都可以去除。真空系統(tǒng)內(nèi)部的氣源還有以下幾個途徑:
[0009](1)氚衰變
[0010]氚半衰期12.33年，放出氦氣，由于氚的數(shù)量龐大，產(chǎn)氦率較高，雖然其中的大部分都被吸氣劑封閉在內(nèi)部，但是各種表面吸附的氚氣發(fā)生衰變時，氦氣將直接進入系統(tǒng)；吸氣劑是需要加熱的，內(nèi)部封閉的氦氣在加熱時會加速釋放到真空系統(tǒng)中。
[0011]⑵氣氣反應(yīng)
[0012]氣氣反應(yīng)在發(fā)出一個中子的同時，還會放出一個氦粒子，能量?3167，轟擊到內(nèi)壁及靶材料，大部分將在材料內(nèi)部埋藏，聚集到一定程度也會釋放出來，少部分直接回到系統(tǒng)內(nèi)部。
[0013](3)粒子轟擊
[0014]氘離子和氚粒子以及氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的氦離子，都會濺射相關(guān)材料中的一些可以形成氣體的組成元素，比如:陶瓷A1203，石英Si02中的02，釋放到系統(tǒng)中，逐漸累積，造成真空度降低。
[0015]因此，通常高產(chǎn)額的中子發(fā)生器都是利用氘氚反應(yīng)，采用開放式結(jié)構(gòu)，動態(tài)真空系統(tǒng)，通過氚吸附回收系統(tǒng)或高排放煙囪方式解決系統(tǒng)氦氣累積問題，一次性投資和運行成本都很高。另外，開放系統(tǒng)因為氚的消耗量過于巨大，無法使用自成靶技術(shù)，只能采用充氚成品靶，用氘離子轟擊產(chǎn)生氘氚反應(yīng)，靶的壽命和尺寸都受限，需要高產(chǎn)額時，只能是多個小靶拼接起來，形成大面積靶。專利《聚變反應(yīng)強流加速器中子源的旋轉(zhuǎn)靶CN203057673U.pdf)),轟擊區(qū)面積約90cm2，活性區(qū)面積約135cm2，充氚密度約3Ci/cm2，總計約400Ci，中子產(chǎn)額5X1012n/s，氚成品靶的壽命約幾百小時，價值12萬，運行成本很高，同時，靶的制作及更換工藝復(fù)雜。
實用新型內(nèi)容
[0016]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，解決目前在高產(chǎn)額密閉中子發(fā)生器中氦氣和其他雜質(zhì)氣體不斷累積，導(dǎo)致真空下降，中子產(chǎn)額降低，絕緣性能變壞的問題。
[0017]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，包括氦處理系統(tǒng)、第一真空管道閥門、第一真空管道；
[0018]所述氦處理系統(tǒng)通過所述第一真空管道與中子發(fā)生器主體連接在一起，氦處理系統(tǒng)中的氘氚氣體、氦氣和其他雜質(zhì)通過所述第一真空管道在氦處理系統(tǒng)以及中子發(fā)生器的真空系統(tǒng)之間流動；所述第一真空管道閥門安裝在第一真空管道上，用于隨時關(guān)斷第一真空管道，阻止氘氚氣體、氦氣和其他雜質(zhì)氣體在第一真空管道內(nèi)的流動。
[0019]所述第一真空管道上連接有第一排氣管道，排氣管道上設(shè)有第一排氣管道高真空閥門。
[0020]所述氦處理系統(tǒng)包括:氦處理系統(tǒng)真空容器、離子泵、氘氚存儲真空容器、第二真空管道、第二真空管道閥門、第三真空管道、第三真空管道閥門，
[0021]所述氦處理系統(tǒng)真空容器通過所述第一真空管道連接中子發(fā)生器的主體，
[0022]所述氦處理系統(tǒng)真空容器通過所述第二真空管道連接離子泵，所述第二真空管道設(shè)有第二真空管道閥門；所述離子泵用于抽除氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體；
[0023]所述氦處理系統(tǒng)真空容器通過所述第三真空管道連接氘氚存儲真空容器，所述第三真空管道設(shè)有第三真空管道閥門；所述氘氚存儲真空容器內(nèi)設(shè)有吸氣劑、氘氚存儲器。
[0024]所述第二真空管道連接有第二排氣管道，第二排氣管道上設(shè)有第二排氣管道高真空閥門。
[0025]所述第三真空管道連接有第三排氣管道，第三排氣管道上設(shè)有第三排氣管道高真空閥門。
[0026]所述氦處理系統(tǒng)還包括真空計、第四真空管道、第四真空管道閥門，所述真空計通過第四真空管道連接所述氦處理系統(tǒng)真空容器，所述第四真空管上設(shè)有第四真空管道閥門。
[0027]所述第四真空管道上連接第四排氣管道，第四排氣管道上設(shè)有第四排氣管道高真空閥門。
[0028]所述吸氣劑由吸氫合金制成，配有電加熱裝置，通過加熱吸氣劑，快速釋放所吸附的氘氚氣體；吸氣劑冷卻時，能快速吸附氘氚氣體，而對氦氣沒有吸附能力，對其他非氫雜質(zhì)氣體的吸附速度也比氘氚氣體慢很多；因此在吸氣劑冷卻后一段較短的時間內(nèi)，氦處理系統(tǒng)內(nèi)剩下氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體。
[0029]所述的氘氚存儲器包括氘存儲器和氚存儲器，均由儲氫材料制成，分別用于吸附氘氣和氚氣。
[0030]所述氘氚存儲器氘存儲器和氚存儲器都配有電加熱裝置，能分別獨立加熱釋放氘氣和氚氣，控制所述氦處理系統(tǒng)真空容器中氘氚氣體的比例在設(shè)定范圍內(nèi)。
[0031]所述離子泵為三極離子泵，具有永久抽除氦氣和其他殘余雜質(zhì)氣體的能力。
[0032]本實用新型的有益效果是:解決了在全封閉中子發(fā)生器系統(tǒng)內(nèi)部連續(xù)動態(tài)排除氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體的難題，有效地延長了封閉式高產(chǎn)額中子發(fā)生器的使用壽命；還可以將現(xiàn)有氘氘反應(yīng)中子發(fā)生器中的一半的氘氣置換成氚氣，在同樣運行條件下，中子發(fā)生器的產(chǎn)額提高100倍以上，同時，達到無氚排放的目的，一次性投資和運行成本都很低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型的技術(shù)方案作進一步具體說明。
[0034]圖1為本實用新型平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖中:1 一中子發(fā)生器主體，2，7，12，20—第一、第二、第三、第四真空管道，3，8，13，21—第一、第二、第三、第四真空管道閥門，4，9，14，22—第一、第二、第三、第四排氣管道高真空閥門，5，10，15，23—第一、第二、第三、第四排氣管道，6—氦處理系統(tǒng)真空容器，11 一離子泵，16—氣氚存儲真空容器，17—吸氣劑，18—氣氚存儲器，24—真空計。

【具體實施方式】
[0036]結(jié)合圖1所示，本實用新型的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置包括以下幾個部分:中子發(fā)生器主體1，第一、第二、第三、第四真空管道2，7，12，20，第一、第二、第三、第四真空管道閥門3，8，13，21，第一、第二、第三、第四排氣管道高真空閥門4，9，14，22，第一、第二、第三、第四排氣管道5，10，15，23，氦處理系統(tǒng)真空容器6，離子泵11，氘氚存儲真空容器16，吸氣劑17，氘氚存儲器18，真空計24。
[0037]中子發(fā)生器主體1中產(chǎn)生的氦氣和其他雜質(zhì)氣體，通過第一真空管道2擴散到氦處理系統(tǒng)真空容器6中，氘氚氣體也同時通過第一真空管道2在中子發(fā)生器主體1和氦處理系統(tǒng)真空容器6中保持壓力平衡；在氦氣等雜質(zhì)氣體的分壓力達到預(yù)定數(shù)值時，關(guān)閉第一真空管道閥門3，冷卻吸氣劑17，吸氣劑17快速吸附氘氚氣體，在氦處理系統(tǒng)真空容器6、第一真空管道2，第二真空管道7，第三真空管道12，第四真空管道20、氘氚存儲真空容器16、真空計24中只剩余氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體，此時開啟真空管道閥門8，離子泵11開始抽除氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體，真空計24測量系統(tǒng)真空度，達到10—4？3后，關(guān)閉第二真空管道閥門8，加熱吸氣劑17，釋放所吸附的氘氚氣體，由真空計24測量氘氚氣體的壓力，與中子發(fā)生器主體1壓力一致時，開啟第一真空管道閥門3,氣氣氣體、氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體通過第一真空管道2在兩個系統(tǒng)之間自由擴散，達到平衡。一段時間后，重復(fù)上述過程，實現(xiàn)動態(tài)排除氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體的目的。
[0038]在中子產(chǎn)額下降時，加熱氘氚存儲器18釋放所需的氘氣和氚氣，保持系統(tǒng)內(nèi)部的氘氚氣體壓力以及1:1的比例。
[0039]由于在吸氣劑17冷卻時，部分雜質(zhì)氣體也會被吸氣劑吸附，不能每次都被離子泵11徹底排除，逐步積累后，會造成中子產(chǎn)額下降。此時，需要進行一次徹底清除雜質(zhì)氣體的流程:在關(guān)閉中子發(fā)生器后，不冷卻吸氣劑17，直接關(guān)閉第三真空管道閥門13，開啟第二真空管道閥門8，離子泵11開始抽除整個中子發(fā)生器主體1、氦處理系統(tǒng)真空容器6及相關(guān)真空管道內(nèi)部的所有氣體，包括氘氚氣體在內(nèi)，達到徹底去除雜質(zhì)氣體，恢復(fù)中子發(fā)生器正常產(chǎn)額的目的。
[0040]實施例1
[0041]一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器真空室尺寸700mmX Φ300mm,祀尺寸500X Φ 10mm,真空系統(tǒng)體積為50L左右。氣氣氣體壓力0.5Pa,比例1:1，采用自成祀,氣氣反應(yīng)中子產(chǎn)額1013n/s。
[0042]僅僅考慮由中子發(fā)生器主體真空容器中氣態(tài)氚的衰變，其產(chǎn)氦率為8.6 X 1010n/s，氦氣分壓力達到0.025Pa需要的時間約700小時左右，此時的氦氣分壓比5%，產(chǎn)額至少下降5%。其他部位的氚衰變產(chǎn)生的氦氣和氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的氦氣都有部分以氣態(tài)形式進入真空系統(tǒng)，加上被氦粒子、氘離子和氚粒子轟擊的材料釋放出來的02等雜質(zhì)氣體，實際的真空下降速度更快。
[0043]氦處理系統(tǒng)真空容器的體積為中子發(fā)生器真空體積的1/2，約25L，直徑300mm，高度350_的圓柱形容器,管道體積可以忽略。
[0044]中子發(fā)生器主體內(nèi)部控制氦氣分壓力在2%以內(nèi)，排氦周期控制在100小時以內(nèi)。每次開通排氦，氦氣的分壓力降低2/3,約1.3%左右。開通時間3?5分鐘,氦氣就可以在兩個真空系統(tǒng)中擴散至基本平衡，具體平衡時間由連接管道的直徑，長度確定。關(guān)閉期間，氦氣分壓力從1.3%上升至2 %，需要100小時左右?？梢詫⒑獾姆謮毫刂圃? %以內(nèi)，波動從1.3%?2%。
[0045]以上僅僅考慮由中子發(fā)生器主體真空容器中氣態(tài)氚的衰變，實際上還有其他來源，因此，處理周期需要根據(jù)具體情況進行縮短，比如:24小時處理一次，每5000小時左右，啟動徹底排氣流程，處理一次。
[0046]中子發(fā)生器的壽命將取決于其他環(huán)節(jié)因素，不再因為內(nèi)部氦氣和其他雜質(zhì)氣體累積造成真空度下降而縮短。
[0047]實施例2
[0048]中子發(fā)生器主體參數(shù)同上，為了加大排除氦氣和其他雜質(zhì)氣體的速度，或者提高中子產(chǎn)額的穩(wěn)定性，將氦處理系統(tǒng)真空容器體積改為直徑500mm,高度1000mm的圓柱形容器，約200L，是中子發(fā)生器真空體積的4倍，真空連接管道體積可以忽略。
[0049]僅僅考慮由中子發(fā)生器主體真空容器中氣態(tài)氚的衰變，其產(chǎn)氦率為8.6 X 1010n/s,氦氣分壓力達到0.025Pa需要的時間約700小時左右，此時的氦氣分壓比5%，產(chǎn)額至少下降5%。其他部位的氚衰變產(chǎn)生的氦氣和氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的氦氣都有部分以氣態(tài)形式進入真空系統(tǒng)，加上被氦粒子、氘離子和氚粒子轟擊的材料釋放出來的02等雜質(zhì)氣體，實際的真空下降速度更快。
[0050]中子發(fā)生器主體內(nèi)部控制氦氣分壓力在1 %以內(nèi)，排氦周期控制在100小時以內(nèi)。每次開通排氦，氦氣的分壓力降低1/5，約0.2%左右。開通時間3?5分鐘,氦氣就可以在兩個真空系統(tǒng)中擴散至基本平衡，具體平衡時間由連接管道的直徑，長度確定。關(guān)閉期間，氦氣分壓力從0.2 %上升至1 %，需要110小時左右?？梢詫⒑獾姆謮毫刂圃? %以內(nèi)，波動從0.2%?1%。
[0051]以上僅僅考慮由中子發(fā)生器主體真空容器中氣態(tài)氚的衰變，實際上還有其他來源，因此，處理周期需要根據(jù)具體情況進行縮短，比如:24小時處理一次，每5000小時左右，啟動徹底排氣流程，處理一次。
[0052]中子發(fā)生器的壽命將取決于其他環(huán)節(jié)因素，不再因為內(nèi)部氦氣和其他雜質(zhì)氣體累積造成真空度下降而縮短。
[0053]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，包括氦處理系統(tǒng)、第一真空管道閥門、第一真空管道； 所述氦處理系統(tǒng)通過所述第一真空管道與中子發(fā)生器主體連接在一起，氦處理系統(tǒng)中的氘氚氣體、氦氣和其他雜質(zhì)通過所述第一真空管道在氦處理系統(tǒng)以及中子發(fā)生器的真空系統(tǒng)之間流動；所述第一真空管道閥門安裝在第一真空管道上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述第一真空管道上連接有第一排氣管道，排氣管道上設(shè)有第一排氣管道高真空閥門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述氦處理系統(tǒng)包括:氦處理系統(tǒng)真空容器、離子泵、氘氚存儲真空容器、第二真空管道、第二真空管道閥門、第三真空管道、第三真空管道閥門， 所述氦處理系統(tǒng)真空容器通過所述第一真空管道連接中子發(fā)生器的主體， 所述氦處理系統(tǒng)真空容器通過所述第二真空管道連接離子泵，所述第二真空管道設(shè)有第二真空管道閥門；所述離子泵用于抽除氦氣和其他非氫雜質(zhì)氣體； 所述氦處理系統(tǒng)真空容器通過所述第三真空管道連接氘氚存儲真空容器，所述第三真空管道設(shè)有第三真空管道閥門；所述氘氚存儲真空容器內(nèi)設(shè)有吸氣劑、氘氚存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述第二真空管道連接有第二排氣管道，第二排氣管道上設(shè)有第二排氣管道高真空閥門。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述第三真空管道連接有第三排氣管道，第三排氣管道上設(shè)有第三排氣管道高真空閥門。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述氦處理系統(tǒng)還包括真空計、第四真空管道、第四真空管道閥門，所述真空計通過第四真空管道連接所述氦處理系統(tǒng)真空容器，所述第四真空管上設(shè)有第四真空管道閥門。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述第四真空管道上連接第四排氣管道，第四排氣管道上設(shè)有第四排氣管道高真空閥門。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述吸氣劑由吸氫合金制成，配有電加熱裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述的氘氚存儲器包括氘存儲器和氚存儲器，均由儲氫材料制成，分別用于吸附氘氣和氚氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述氘氚存儲器氘存儲器和氚存儲器都配有電加熱裝置，能分別獨立加熱釋放氘氣和氚氣，控制所述氦處理系統(tǒng)真空容器中氘氚氣體的比例在設(shè)定范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高產(chǎn)額中子發(fā)生器氦處理裝置，其特征在于，所述離子泵為三極離子泵。
【文檔編號】H05H3/06GK204157150SQ201420394052
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】何小海, 李彥, 薛小明, 婁本超, 唐君, 張欽龍, 劉百力, 劉灣, 黃瑾, 李艷 申請人:中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所