CN204157150U - 一种高产额中子发生器氦处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高产额中子发生器氦处理装置。在中子发生器主真空室外部，通过真空管道连接到一个大容积的氦处理真空容器。在氦处理容器内，利用对氘氚气体吸附量大，吸附速度快，而对非氢杂质气体吸附速度慢，对氦气没有吸附作用的吸氢合金吸附系统中的氘氚气体，剩下的氦气和非氢杂质气体由离子泵抽除。然后，适当加热吸氢合金，被吸附的氘氚气体又重新释放到真空容器内部，实现在全封闭容器中，基本不消耗氘氚气体，同时动态排除氦气和其他杂质气体的目的。尤其适合用于全封闭长寿命高产额氘氚中子发生器。

Description

一种高产额中子发生器氦处理装置

技术领域

本实用新型涉及核技术及应用领域，尤其涉及高产额氘氚中子发生器氦处理装置。 

背景技术

小型中子发生器一般分为放射源中子发生器和加速器中子发生器，放射源中子发生器是利用放射性核素来产生中子，产额较低，寿命短。加速器中子发生器产额高，关断电源后没有中子产生，使用方便，可控性好，安全性较高。 

加速器中子发生器是利用离子源产生的氘或者氘氚混合离子，经过加速电场的加速，获得较高的能量，在靶上发生氘/氘或氘/氚聚变反应，在4π方向上放出中子和氦粒子。 

氘/氚聚变反应截面大，产额高，但是氚是一种放射性物质，属于严格管控的核材料，国家对于其使用及排放都有极其严格的要求，因此氚的使用和排放处理成本很高。而采用氘/氘中子发生器则没有这些管控要求；氘的价格也非常便宜，只有氚的几万分之一。但是氘/氘聚变反应截面小，在小型氘氘中子发生器能量范围70～300keV之间，产额比氘/氚反应低100～250倍左右。 

如果了能够解决氚排放问题，仅仅需要充入一半氚气替换氘气，就可以简单地将原有氘氘中子发生器的中子产额提升几百倍，非常有意义。在保持产额不变的条件下，可以大幅度减小发生器尺寸，对于需要小束斑、小体积的应用场合很有意义。 

专利《自成靶中子管CN202949621U》中，介绍了常规密封式中子管的寿命主要是由于采用成品靶，不能高温烘烤除气，管子内部的杂质气体不断累积，造成产额降低和绝缘破坏，平均寿命小于100小时。该专利介绍 一种密闭中子管，平均使用寿命为370小时左右。 

东北师范大学报自然科学版1994年第一期《自成靶陶瓷中子管的主要技术特点》介绍分析了密封式中子管的技术现状，杂质气体和真空度下降时影响使用寿命的关键因素，但是其所介绍的密封陶瓷中子管，在高温烘烤后，杂质气体放气率大幅度降低，使用寿命提升到500小时，产额10⁹n/s。但是，管子的氦气和随时产生的杂质气体依然无法排除，尤其是小体积高产额的密封中子管，真空度下降依然很快，寿命还是不够长。 

影响寿命的主要原因之一还是内部真空度下降，由于系统内部初始吸附杂质气体经过高温排气，基本都可以去除。真空系统内部的气源还有以下几个途径： 

(1)氚衰变 

氚半衰期12.33年，放出氦气，由于氚的数量庞大，产氦率较高，虽然其中的大部分都被吸气剂封闭在内部，但是各种表面吸附的氚气发生衰变时，氦气将直接进入系统；吸气剂是需要加热的，内部封闭的氦气在加热时会加速释放到真空系统中。 

(2)氘氚反应 

氘氚反应在发出一个中子的同时，还会放出一个氦粒子，能量>3MeV，轰击到内壁及靶材料，大部分将在材料内部埋藏，聚集到一定程度也会释放出来，少部分直接回到系统内部。 

(3)粒子轰击 

氘离子和氚粒子以及氘氚反应产生的氦离子，都会溅射相关材料中的一些可以形成气体的组成元素，比如：陶瓷Al₂O₃，石英SiO₂中的O₂，释放到系统中，逐渐累积，造成真空度降低。 

因此，通常高产额的中子发生器都是利用氘氚反应，采用开放式结构，动态真空系统，通过氚吸附回收系统或高排放烟囱方式解决系统氦气累积问题，一次性投资和运行成本都很高。另外，开放系统因为氚的消耗量过于巨大， 无法使用自成靶技术，只能采用充氚成品靶，用氘离子轰击产生氘氚反应，靶的寿命和尺寸都受限，需要高产额时，只能是多个小靶拼接起来，形成大面积靶。专利《聚变反应强流加速器中子源的旋转靶CN203057673U.pdf》，轰击区面积约90cm²，活性区面积约135cm²，充氚密度约3Ci/cm²，总计约400Ci，中子产额5×10¹²n/s,氚成品靶的寿命约几百小时，价值12万，运行成本很高，同时，靶的制作及更换工艺复杂。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高产额中子发生器氦处理装置，解决目前在高产额密闭中子发生器中氦气和其他杂质气体不断累积，导致真空下降，中子产额降低，绝缘性能变坏的问题。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高产额中子发生器氦处理装置，包括氦处理系统、第一真空管道阀门、第一真空管道； 

所述氦处理系统通过所述第一真空管道与中子发生器主体连接在一起，氦处理系统中的氘氚气体、氦气和其他杂质通过所述第一真空管道在氦处理系统以及中子发生器的真空系统之间流动；所述第一真空管道阀门安装在第一真空管道上，用于随时关断第一真空管道，阻止氘氚气体、氦气和其他杂质气体在第一真空管道内的流动。 

所述第一真空管道上连接有第一排气管道，排气管道上设有第一排气管道高真空阀门。 

所述氦处理系统包括：氦处理系统真空容器、离子泵、氘氚存储真空容器、第二真空管道、第二真空管道阀门、第三真空管道、第三真空管道阀门， 

所述氦处理系统真空容器通过所述第一真空管道连接中子发生器的主体， 

所述氦处理系统真空容器通过所述第二真空管道连接离子泵，所述第 二真空管道设有第二真空管道阀门；所述离子泵用于抽除氦气和其他非氢杂质气体； 

所述氦处理系统真空容器通过所述第三真空管道连接氘氚存储真空容器，所述第三真空管道设有第三真空管道阀门；所述氘氚存储真空容器内设有吸气剂、氘氚存储器。 

所述第二真空管道连接有第二排气管道，第二排气管道上设有第二排气管道高真空阀门。 

所述第三真空管道连接有第三排气管道，第三排气管道上设有第三排气管道高真空阀门。 

所述氦处理系统还包括真空计、第四真空管道、第四真空管道阀门，所述真空计通过第四真空管道连接所述氦处理系统真空容器，所述第四真空管上设有第四真空管道阀门。 

所述第四真空管道上连接第四排气管道，第四排气管道上设有第四排气管道高真空阀门。 

所述吸气剂由吸氢合金制成，配有电加热装置，通过加热吸气剂，快速释放所吸附的氘氚气体；吸气剂冷却时，能快速吸附氘氚气体，而对氦气没有吸附能力，对其他非氢杂质气体的吸附速度也比氘氚气体慢很多；因此在吸气剂冷却后一段较短的时间内，氦处理系统内剩下氦气和其他非氢杂质气体。 

所述的氘氚存储器包括氘存储器和氚存储器，均由储氢材料制成，分别用于吸附氘气和氚气。 

所述氘氚存储器氘存储器和氚存储器都配有电加热装置，能分别独立加热释放氘气和氚气，控制所述氦处理系统真空容器中氘氚气体的比例在设定范围内。 

所述离子泵为三极离子泵，具有永久抽除氦气和其他残余杂质气体的能力。 

本实用新型的有益效果是：解决了在全封闭中子发生器系统内部连续动态排除氦气和其他非氢杂质气体的难题，有效地延长了封闭式高产额中子发生器的使用寿命；还可以将现有氘氘反应中子发生器中的一半的氘气置换成氚气，在同样运行条件下，中子发生器的产额提高100倍以上，同时，达到无氚排放的目的，一次性投资和运行成本都很低。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。 

图1为本实用新型平面结构示意图。 

图中：1—中子发生器主体，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、第四真空管道阀门，4，9，14，22—第一、第二、第三、第四排气管道高真空阀门，5，10，15，23—第一、第二、第三、第四排气管道，6—氦处理系统真空容器，11—离子泵，16—氘氚存储真空容器，17—吸气剂，18—氘氚存储器，24—真空计。 

具体实施方式

结合图1所示，本实用新型的高产额中子发生器氦处理装置包括以下几个部分：中子发生器主体1，第一、第二、第三、第四真空管道2，7，12，20，第一、第二、第三、第四真空管道阀门3，8，13，21，第一、第二、第三、第四排气管道高真空阀门4，9，14，22，第一、第二、第三、第四排气管道5，10，15，23，氦处理系统真空容器6，离子泵11，氘氚存储真空容器16，吸气剂17，氘氚存储器18，真空计24。 

中子发生器主体1中产生的氦气和其他杂质气体，通过第一真空管道2扩散到氦处理系统真空容器6中，氘氚气体也同时通过第一真空管道2在 中子发生器主体1和氦处理系统真空容器6中保持压力平衡；在氦气等杂质气体的分压力达到预定数值时，关闭第一真空管道阀门3，冷却吸气剂17，吸气剂17快速吸附氘氚气体，在氦处理系统真空容器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、氘氚存储真空容器16、真空计24中只剩余氦气和其他非氢杂质气体，此时开启真空管道阀门8，离子泵11开始抽除氦气和其他非氢杂质气体，真空计24测量系统真空度，达到10^-4Pa后，关闭第二真空管道阀门8，加热吸气剂17，释放所吸附的氘氚气体，由真空计24测量氘氚气体的压力，与中子发生器主体1压力一致时，开启第一真空管道阀门3，氘氚气体、氦气和其他非氢杂质气体通过第一真空管道2在两个系统之间自由扩散，达到平衡。一段时间后，重复上述过程，实现动态排除氦气和其他非氢杂质气体的目的。 

在中子产额下降时，加热氘氚存储器18释放所需的氘气和氚气，保持系统内部的氘氚气体压力以及1：1的比例。 

由于在吸气剂17冷却时，部分杂质气体也会被吸气剂吸附，不能每次都被离子泵11彻底排除，逐步积累后，会造成中子产额下降。此时，需要进行一次彻底清除杂质气体的流程：在关闭中子发生器后，不冷却吸气剂17，直接关闭第三真空管道阀门13，开启第二真空管道阀门8，离子泵11开始抽除整个中子发生器主体1、氦处理系统真空容器6及相关真空管道内部的所有气体，包括氘氚气体在内，达到彻底去除杂质气体，恢复中子发生器正常产额的目的。 

实施例1 

一种高产额中子发生器真空室尺寸700mm×Φ300mm，靶尺寸500×Φ10mm，真空系统体积为50L左右。氘氚气体压力0.5Pa，比例1：1，采用自成靶，氘氚反应中子产额10¹³n/s。 

仅仅考虑由中子发生器主体真空容器中气态氚的衰变，其产氦率为8.6 ×10¹⁰n/s，氦气分压力达到0.025Pa需要的时间约700小时左右，此时的氦气分压比5％，产额至少下降5％。其他部位的氚衰变产生的氦气和氘氚反应产生的氦气都有部分以气态形式进入真空系统，加上被氦粒子、氘离子和氚粒子轰击的材料释放出来的O₂等杂质气体，实际的真空下降速度更快。 

氦处理系统真空容器的体积为中子发生器真空体积的1/2，约25L，直径300mm，高度350mm的圆柱形容器，管道体积可以忽略。 

中子发生器主体内部控制氦气分压力在2％以内，排氦周期控制在100小时以内。每次开通排氦，氦气的分压力降低2/3，约1.3％左右。开通时间3～5分钟，氦气就可以在两个真空系统中扩散至基本平衡，具体平衡时间由连接管道的直径，长度确定。关闭期间，氦气分压力从1.3％上升至2％，需要100小时左右。可以将氦气的分压力控制在2％以内，波动从1.3％～2％。 

以上仅仅考虑由中子发生器主体真空容器中气态氚的衰变，实际上还有其他来源，因此，处理周期需要根据具体情况进行缩短，比如：24小时处理一次，每5000小时左右，启动彻底排气流程，处理一次。 

中子发生器的寿命将取决于其他环节因素，不再因为内部氦气和其他杂质气体累积造成真空度下降而缩短。 

实施例2 

中子发生器主体参数同上，为了加大排除氦气和其他杂质气体的速度，或者提高中子产额的稳定性，将氦处理系统真空容器体积改为直径500mm，高度1000mm的圆柱形容器，约200L，是中子发生器真空体积的4倍，真空连接管道体积可以忽略。 

仅仅考虑由中子发生器主体真空容器中气态氚的衰变，其产氦率为8.6×10¹⁰n/s，氦气分压力达到0.025Pa需要的时间约700小时左右，此时的 氦气分压比5％，产额至少下降5％。其他部位的氚衰变产生的氦气和氘氚反应产生的氦气都有部分以气态形式进入真空系统，加上被氦粒子、氘离子和氚粒子轰击的材料释放出来的O₂等杂质气体，实际的真空下降速度更快。 

中子发生器主体内部控制氦气分压力在1％以内，排氦周期控制在100小时以内。每次开通排氦，氦气的分压力降低1/5，约0.2％左右。开通时间3～5分钟，氦气就可以在两个真空系统中扩散至基本平衡，具体平衡时间由连接管道的直径，长度确定。关闭期间，氦气分压力从0.2％上升至1％，需要110小时左右。可以将氦气的分压力控制在1％以内，波动从0.2％～1％。 

以上仅仅考虑由中子发生器主体真空容器中气态氚的衰变，实际上还有其他来源，因此，处理周期需要根据具体情况进行缩短，比如：24小时处理一次，每5000小时左右，启动彻底排气流程，处理一次。 

中子发生器的寿命将取决于其他环节因素，不再因为内部氦气和其他杂质气体累积造成真空度下降而缩短。 

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (11)

1.一种高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，包括氦处理系统、第一真空管道阀门、第一真空管道； 

所述氦处理系统通过所述第一真空管道与中子发生器主体连接在一起，氦处理系统中的氘氚气体、氦气和其他杂质通过所述第一真空管道在氦处理系统以及中子发生器的真空系统之间流动；所述第一真空管道阀门安装在第一真空管道上。 

2.根据权利要求1所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述第一真空管道上连接有第一排气管道，排气管道上设有第一排气管道高真空阀门。 

3.根据权利要求1或2所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述氦处理系统包括：氦处理系统真空容器、离子泵、氘氚存储真空容器、第二真空管道、第二真空管道阀门、第三真空管道、第三真空管道阀门， 

所述氦处理系统真空容器通过所述第一真空管道连接中子发生器的主体， 

所述氦处理系统真空容器通过所述第二真空管道连接离子泵，所述第二真空管道设有第二真空管道阀门；所述离子泵用于抽除氦气和其他非氢杂质气体； 

所述氦处理系统真空容器通过所述第三真空管道连接氘氚存储真空容器，所述第三真空管道设有第三真空管道阀门；所述氘氚存储真空容器内设有吸气剂、氘氚存储器。 

4.根据权利要求3所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述第二真空管道连接有第二排气管道，第二排气管道上设有第二排气管道高真空阀门。 

5.根据权利要求3所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述第三真空管道连接有第三排气管道，第三排气管道上设有第三排气管 道高真空阀门。 

6.根据权利要求3所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述氦处理系统还包括真空计、第四真空管道、第四真空管道阀门，所述真空计通过第四真空管道连接所述氦处理系统真空容器，所述第四真空管上设有第四真空管道阀门。 

7.根据权利要求6所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述第四真空管道上连接第四排气管道，第四排气管道上设有第四排气管道高真空阀门。 

8.根据权利要求3所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述吸气剂由吸氢合金制成，配有电加热装置。 

9.根据权利要求3所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述的氘氚存储器包括氘存储器和氚存储器，均由储氢材料制成，分别用于吸附氘气和氚气。 

10.根据权利要求9所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述氘氚存储器氘存储器和氚存储器都配有电加热装置，能分别独立加热释放氘气和氚气，控制所述氦处理系统真空容器中氘氚气体的比例在设定范围内。 

11.根据权利要求3所述的高产额中子发生器氦处理装置，其特征在于，所述离子泵为三极离子泵。