Исследование методико-метрологических особенностей и разработка масс-спектрометрической аппаратуры для количественного анализа DT топливных смесей термоядерных реакторов

• Автор: Милешкин, Юрий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 104 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ БТ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

1.1 Требования к масс-спектрометрическим установкам (изотопный и химический

АНАЛИЗ)

1.2 Условия отбора и напуска газовой пробы

1.3 Влияние радиоактивности

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1 Результаты эффективности применения масс-спектрометра МИ3305 для различных задач
2.2 Влияние ионно-обменных реакций на проведение анализа
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА (УТС) (РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ)
3.1. Опытный Термоядерный Реактор (ОТР)
3.2 ТОКАМАК с Сильным Полем (ТСП)
3.3 Разработка специализированного масс-спектрометра для ИТЭР..
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
С первой половины 50-х годов в нашей стране и за рубежом проводятся комплексные исследования и разработки, направленные на освоение энерготехнологий на основе управляемого термоядерного синтеза (УТС) и создание экспериментального термоядерного реактора (ТЯР). Наибольшие успехи к настоящему времени достигнуты на тороидальных системах с магнитным удержанием плазменного шнура (токамаки, стеллараторы). Кроме систем на основе токамаков в последние годы расширяется круг работ по лазерному способу зажигания плазмы и созданию соответствующих технологических установок [1,2]. Рассматривается создание бланкета на основе
ускорительных установок, и соответственно создаются экспериментальные
технологические системы, предназначенные для работы с газовыми смесями,
содержащими изотопы водорода и гелия (H-D-T-3He-4He) [3]. Ведется строительство большой лазерной установки (NIF) [4].
Отечественные программы за последние 40 лет были ориентированы преимущественно на токамаки.
В разные годы они включали в себя:
• исследования по физике высокотемпературной плазмы и сопутствующие инженерно-физические разработки в приложении к средне- и крупномасштабным установкам;
• концептуальные и эскизные разработки прототипов термоядерного реактора-токамака (Т-20, ГТРТ, ОПТЯЭС, ОТР);
• проектные разработки, математическое и физическое моделирование и выполнение поддерживающих НИОКР в рамках международной программы экспериментального реактора-токамака ИНТОР-ИТЭР
Наряду с изучением физики высокотемпературной плазмы на крупных термоядерных установках, со второй половины 70-х годов все большее внимание уделяется решению инженерно-физических задач УТС. В их числе создание методик и надежной аппаратуры для непрерывного изотопного и химического анализа топливной смеси. Такой анализ необходим для эффективного решения триединой задачи современных исследований по проблеме УТС. Во-первых, на его основе формируется база экспериментальных данных для адекватной феноменологической интерпретации физических процессов, наблюдаемых в плазме. Во-вторых, по его результатам осуществляется автоматизированное управление и оптимизация эксплуатационных
режимов реактора и при необходимости корректируются параметры рабочего цикла. В-третьих, результаты такого анализа являются ключевым элементом обеспечения эксплуатационной безопасности реактора, что имеет принципиальное значение в виду высокой радиотоксичности трития.
Основные компоненты исходной топливной смеси термоядерных реакторов составляют дейтерий и тритий. Кроме того, в состав отработанной топливной смеси входят несколько десятков примесных газов, включая протий, азот и его соединения, кислород, аргон, оксиды, углеводороды, более сложные газообразные соединения -продукты объемных и поверхностных плазмохимических реакций. Анализ должен осуществляться как в различных элементах и подсистемах вакуумно-тритиевого контура, так и в системах внешнего топливного контура и технологического обеспечения безопасности реактора. Парциальное содержание отдельных компонент в разных зонах контроля может различаться в сотни и тысячи раз; кроме того, оно подвержено значительным временным вариациям. Пороговая чувствительность и допустимая погрешность измерений также колеблются в очень широких пределах: от 1(У*% об. (контроль содержания тяжелых примесных газов) до ~ 1% об. (изотопный технологический контроль).
Таким образом, специализированная автоматизированная аппаратура изотопного и химического анализа топливной смеси должна выполнять следующие функции:
• измерение изотопного состава водорода (Н2, Б2, Т2) и гелия (3Не, ^е) в исходной и отработанной топливной смеси в вакуумно-тритиевом контуре и технологических системах реактора в реальном масштабе времени с погрешностью масштаба 1%;
• прецизионный анализ изотопного состава водорода и гелия в топливной смеси при балансовых, арбитражных и эталонных измерениях;
• определение парциального содержания примесных газов в исходной и отработанной топливной смеси в реальном масштабе времени с пороговой чувствительностью не менее 10^% об.;
• формирование первичной базы экспериментальных данных для систем
автоматизированного управления реактором, оптимизации эксплуатационных режимов оборудования топливного цикла и обеспечения радиационной безопасности.
В настоящее время для контроля состава БТ топливных смесей применяются
радиометрический, хроматографический, масс-спектрометрический методы, а также
методы теплопроводности и раман-спектроскопии. Наибольшей информативностью и
для водорода при концентрациях от 1 до 9.9 % для водорода при концентрациях от 10 до 60 % для гелия при концентрациях от 1 до 60 %

для примесей при концентрации каждой 0.01 % метод измерения

Однолучевой
автоматический,
процесс измерения
с управлением
от компьютера
ввод пробы осуществляется ручным способом обработка результатов измерений
автоматическая,
осуществляемая
периодичность химического и изотопного анализов одновременно
(ориентировочно)
режим работы
компьютером не менее
анализа в час круглосуточный
Ниже приведены результаты апробации масс-спектрометра для задач ТЯР.
2.1 Результаты эффективности применения масс-спектрометра МИ3305 для различных задач
Для определения пригодности масс-спектрометра МИ3305 для прецизионного изотопного анализа БТ топливной смеси была разработана Программа испытаний опытного образца масс-спектрометра. Согласно Программе испытание опытного образца масс-спектрометра проводилось на газовых смесях, содержащих от ~ 1 до 90 % трития, а также на аттестованных газовых смесях.
Целью испытаний являлось:
- подтверждение необходимых по технологическому регламенту аналитических характеристик масс-спектрометра для изотопного и химического анализов водородно-гелиевых смесей;
- выявление возможного влияния радиоактивного изотопа водорода (трития) на ионно-оптическую и вакуумную системы масс-спектрометра;
- проверка работоспособности масс-спектрометра при длительной непрерывной эксплуатации.
Испытания начались с разработки методики измерения. Для этого: