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1 概论 1

1.1 核能 3

1.2 核真空科学技术 6

1.2.1 加速器超高真空技术 6

1.2.2 聚变真空科学技术 7

2 核电站泄漏检测技术与辐照防护 11

2.1 核电站 13

2.1.1 核裂变能发电的机理 13

2.1.2 核电站的构成 14

2.1.3 核岛——由核能产出蒸汽热能的场所 15

2.1.4 常规岛——由蒸汽热能转化为电能的场所 15

2.1.5 核电站运行及功能描述 15

2.1.6 核电站设备泄漏检测的重要性 16

2.2 核燃料棒的泄漏检测技术 19

2.2.1 核燃料棒的密封要求 19

2.2.2 核燃料棒的充氦密封焊工序 19

2.2.3 核燃料棒的有效检漏时间Teff 20

2.2.4 核燃料棒的泄漏检测 21

1）直接检漏法 21

2）标准漏孔 22

3）背压检漏法 25

2.3 蒸汽发生器的检漏工艺 31

2.3.1 蒸汽发生器检漏的技术关键 32

1）抽除大量水汽和氢气的真空获得技术 33

2）全吸收吸枪罩-氦质谱检漏系统 33

3）测定蒸汽发生器一次、二次侧间总漏率的真空罩检漏法 36

2.3.2 秦山一期蒸汽发生器制造中的检漏实践 36

1）蒸汽发生器的管子-管板焊缝（下简称管-板焊缝）的检漏程序 36

2）蒸汽发生器的总漏率检测程序 37

2.3.3 核电站蒸汽发生器的在役检漏 38

1）检漏方法 38

2）在役氦检漏系统 38

2.3.4 压力容器氦质谱检漏技术的讨论 41

2.4 核岛化学管道系统的泄漏检测 42

2.4.1 大亚湾RCV-RAZ管道系统的氦气泄漏检测 42

1）充氦检漏法的试验原理 42

2）检漏准备 43

3）用压缩空气气泡法进行预测试 43

4）管道充氦-吸枪累积法检漏 43

5）RCV-RAZ系统检验过程中的问题及解决方案 44

2.4.2 大亚湾核岛TEG废气处理系统的氦质谱检漏 44

1）真空-氦罩法检漏基本原理 44

2）真空-氦罩法检漏前的准备工作 45

3）真空-氦罩法检漏过程 45

4）TEG系统真空法氦气泄漏试验中的技术问题 46

2.4.3 大亚湾化学管道系统的泄漏检测结果 46

2.5 放射性同位素在检漏技术中的应用 48

2.5.1 放射性同位素检漏原理 48

2.5.2 通用的同位素检漏方法 48

2.5.3 核反应堆乏燃料棒的检漏 49

1）乏燃料棒在热室内的检漏方法 49

2）乏燃料棒的水下检测方法 50

2.6 核物理与辐射防护知识 52

2.6.1 核物理与辐射防护的基础知识 52

1）原子结构与放射性 52

2）射线与物质相互作用 55

3）常用的辐射防护物理量 57

2.6.2 辐射对人体健康的影响 59

1）辐射的生物效应 60

2）辐射效应的危险度 61

3）影响辐射生物效应的因素 61

4）辐射对人体健康的影响 62

2.6.3 辐射防护的目的、原则和标准 63

1）辐射防护的目的 63

2）辐射防护三原则 63

3）辐射防护标准和限值 64

2.6.4 核电站的辐射源 65

1）反应堆 66

2）污染源 66

2.6.5 辐射防护监测 67

1）个人剂量监测 67

2）工作场所辐射监测 68

2.6.6 控制辐射危险的技术方法 68

1）外照射的控制 68

2）内照射的控制 70

2.6.7 控制辐射危险的管理措施 72

1）控制区划分和人员分类 72

2）控制区内个人剂量计的佩戴 73

3）个人辐照防护的规定 73

3 核聚变真空科学技术 75

3.1 等离子体 77

3.1.1 等离子体的基本物理参数与术语 78

1）电中性 78

2）等离子体温度T 78

3）德拜屏蔽长度λD 78

4）等离子体振荡频率ωP 79

5）单粒子运动轨道 79

6）等离子体比压值β 80

7）等离子体辐射 80

8）等离子体鞘 80

3.1.2 低温等离子体 80

1）气体放电的伏安特性 81

2）低气压冷阴极辉光放电 87

3）弧光放电热等离子体 89

3.1.3 核聚变高温等离子体 92

3.1.4 等离子体的研究方法 93

3.2 磁约束核聚变实验装置——托卡马克 95

3.2.1 几个典型的托卡马克 95

1）中国环流器实验系列装置 95

2）中国全超导托卡马克EAST装置 100

3）欧洲联合环JET 103

4）国际热核聚变实验反应堆ITER 109

3.2.2 托卡马克等离子体的杂质问题 110

1）杂质来源——等离子体与器壁表面相互作用 110

2）杂质对等离子体性能的影响 110

3）等离子体杂质水平的度量 111

4）减少等离子体杂质的技术措施 111

3.3 核聚变装置真空室 113

3.3.1 真空室主体结构 113

3.3.2 真空室在脉冲电动力作用下的不稳定性振动 117

1）真空室集中参数摆动振动模型 117

2）半个真空室的大型有限元模型 117

3）真空室集中参数侧向移动模型 118

3.3.3 真空室构体的动力学支撑 119

3.3.4 冲击振动核算的基本知识 119

3.4 真空室内的高热通量部件 122

3.4.1 孔栏 122

1）石墨孔栏 122

2）环带孔栏 123

3）铍护块环带孔栏 124

3.4.2 偏滤器 125

1）JET抽气偏滤器 126

2）偏滤器低温泵和低温工艺装备 129

3.4.3 包层 130

3.5 包层的结构力学分析 133

3.5.1 BFEB包层的稳态热应力分析与优化 133

1）材料力学第三强度理论 133

2）BFEB包层基元热应力分析的简约模型 134

3）传热学理论 135

4）热应力分析 135

5）构件表面热负载系的配置优化 136

6）构件几何尺寸优化 138

7）热应力分析讨论 139

3.5.2 BFEB包层气氦冷却竖屏的稳态结构力学分析 139

1）材料力学第4强度理论 140

2）气氦冷却竖屏的静态应力分析 141

3.5.3 气氦冷却竖屏中氦压应力与热应力的组合效应 143

1）拱形冷屏管道基元模型 143

2）回弯形冷屏管道基元模型 146

3）结果与讨论 147

3.6 聚变装置真空室第一壁 149

3.6.1 等离子体与第一壁表面相互作用 149

3.6.2 第一壁基体材料 151

3.6.3 高镍钢的真空烘烤出气性能 152

3.6.4 等离子体-高镍钢器壁边界物理实验 156

1）HL-1环流器欧姆放电的等离子体边界层 157

2）等离子体边界层中的氢粒子流-硅收集探针阵列实验 158

3）等离子体边界层杂质流-硅收集探针实验 159

4）氢等离子体辐照下高镍钢GH39器壁的放气性能 159

5）HL-1装置原位钛升华涂敷器壁处理 163

3.6.5 第一壁表层护块材料 164

3.6.6 氘束轰击石墨化学腐蚀 164

1）氘束轰击石墨化学腐蚀实验的配置 164

2）氘束轰击石墨化学腐蚀实验结果 165

3）氘束轰击石墨释放氘甲烷的机理-多步骤表面化学合成反应 167

3.7 第一壁表面处理技术 170

3.7.1 预处理工艺-超声清洗和电抛光 170

3.7.2 真空烘烤 171

3.7.3 放电清洗技术 171

1）脉冲放电清洗 172

2）直流辉光放电清洗 173

3）射频辅助下的直流辉光放电清洗 176

3.7.4 第一壁表面涂敷技术 177

1）真空室壁原位升华钛吸气技术 177

2）真空室壁原位等离子体化学沉积技术 177

3.7.5 JET真空室的铍第一壁 182

1）全碳第一壁在辅助加热状态下的“碳杂质迸发” 182

2）真空室全碳壁向铍第一壁的转化历程 183

3）铍蒸发器 183

4）JET初期的铍蒸发运行 185

5）壁抽气（Wall Pumping） 186

6）器壁的氢存留（Hydrogen Retention） 187

3.7.6 JET铍第一壁下初步的D-T聚变反应实验 188

1）实验安排 188

2）初步D-T聚变反应实验的结果 189

3.8 真空抽运与活性气体处理系统 192

3.8.1 真空室大环的真空抽运系统 192

3.8.2 聚变实验装置抽运系统实例 193

1）HL-2A真空室主抽气系统 193

2）全超导托卡马克EAST抽运系统 194

3.8.3 活性气体氚的处理工艺 196

1）氢同位素等气体的一些热力学性质 196

2）低温的获得方法介绍 197

3.8.4 JET活性气体处理系统AGHS 197

1）机械前级真空系统 199

2）低温的前级真空系统 199

3）杂质处理回路系统 204

4）中间储存系统 207

5）氢同位素分离系统 207

6）排气除氚系统 212

7）分析实验室 212

8）AGHS采用的通用元器件 212

3.8.5 ITER主真空抽运系统的设计 214

1）ITER主真空抽运系统的设计要求 214

2）高真空抽气系统 215

3）偏滤器低温泵 217

4）大环粗抽系统 217

5）偏滤器低温泵的运行模式 218

3.9 核聚变装置加料系统 220

3.9.1 喷气注入法 220

1）压电晶体送气阀 220

2）EAST的普通气体注入系统 222

3）JET兼容氚的气体注入系统 224

3.9.2 超声分子束注入 227

1）超声分子束原理 227

2）HL-1M装置的准超声分子束注入实验 228

3.9.3 气动加速弹丸注入 229

1）HL-1原位冷凝型单发弹丸注入系统 230

2）HL-1M原位冷凝型八发弹丸注入系统 236

3）HL-2A挤压型多发弹丸注入器的设计 244

3.9.4 JET离心加速弹丸注入 250

3.9.5 高能中性束注入 252

1）JET高能中性束注入器 253

2）JET中性注入器的氚注入实验 256

3.10 聚变装置真空测量技术 260

3.10.1 聚变装置真空测量分类 261

3.10.2 强磁场对真空测量的影响 262

1）热阴极电离规 262

2）冷阴极磁控放电规 262

3）电容—膜片规 263

3.10.3 托卡马克等离子体对真空测量的干扰 264

1）等离子体的电离抽气效应 264

2）等离子体外逸粒子流和电磁辐射等干扰的抑制 264

3.10.4 托卡马克上真空规管的安装位置 266

3.10.5 托卡马克装置上真空规管的定标 268

3.10.6 HL-2A托卡马克的抗干扰快速电离规 268

1）快规的设计原理 268

2）快规特性 270

3）HL-2A托卡马克偏滤器室内的中性气体压强测量 272

3.10.7 气体组分的质谱分析法 274

1）快扫描遥控四极质谱管 275

2）离子源 275

3）四极杆电分析器 276

4）离子检测器 279

5）质谱管安装与运行的注意事项 279

3.10.8 高分辨四极质谱计 279

1）马绍方程稳定解区 279

2）高分辨四极质谱计 281

3）稳定Ⅰ区和Ⅱ区的质谱图比对 282

4）进一步提高分辨率的途径 283

3.10.9 气体组分的光谱分析法 284

1）JET开式偏滤器靶板发射内向氘粒子通量的测量诊断 284

2）JET开式偏滤器靶板表面温度和杂质粒子通量的测量诊断 291

3.11 核聚变装置检漏技术 295

3.11.1 蒽-丙酮荧光液渗透检漏技术 295

1）荧光检漏技术的原理 296

2）荧光检漏设备及检漏注意事项 298

3）荧光检漏技术指标 300

4）大气压掺氦的吸枪-氦质谱仪检漏法 301

3.11.2 环流器HL系列装置的运行检漏 303

3.11.3 欧洲联合环JET的检漏技术 304

1）以氩（Ar）作为示漏气体的四极质谱计检漏 305

2）回旋质谱计检漏 305

3）氦质谱检漏仪前置选择性抽气泵和压缩采样泵 306

4）真空漏隙外侧二级抽空的应急堵漏技术 306

3.11.4 国际热核实验反应堆ITER检漏系统的设计 307

1）ITER检漏系统总体设计 308

2）大环检漏子系统 310

3）大环检漏性能的估算 313

4）低温箱检漏子系统 318

5）低温箱检漏性能的评估 320

6）讨论 322

3.12 聚变装置的遥控处理技术 325

3.12.1 JET遥控处理设备及其原理 325

3.12.2 遥控操作的JET偏滤器螺栓紧固件 329

3.12.3 JET的遥控处理工作 330

主要符号索引 333