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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Teff20

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T78

3）德拜屏蔽长度λD78

4）等离子体振荡频率ωP79

5）单粒子运动轨道79

6）等离子体比压值β80

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JET103

4）国际热核聚变实验反应堆ITER109

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AGHS197

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