[发明专利]一种基于回旋加速器的乏燃料萃取剂α粒子辐照系统及其辐照方法

说明书

本发明公开了一种基于回旋加速器的乏燃料萃取剂α粒子辐照系统及其辐照方法，该辐照系统包括依次连接的回旋加速器、束流降能与传输系统、固体/液体萃取剂辐照靶室以及在线测量与控制系统；固体/液体萃取剂辐照靶室包括真空室以及安装于真空室中的固体/液体萃取剂样品室；在线测量与控制系统包括束流测量室、与固体/液体萃取剂样品室连接的温度控制组件、与固体萃取剂样品室连接的气相质谱仪、与液体萃取剂样品室连接的液体循环控制组件以及与液体循环组件连接的液相质谱仪。本发明能够准确模拟真实工况下的乏燃料萃取剂α粒子辐照效应，对液体与固体两种萃取剂都能进行α粒子辐照，达到萃取剂辐解产物在线测量与分析的目的。

技术领域

本发明属于核燃料循环研究与应用技术领域，涉及乏燃料萃取剂的辐照技术，具体涉及一种基于回旋加速器的乏燃料萃取剂α粒子辐照系统及其辐照方法。

背景技术

核能利用产生的乏燃料含有放射性极强的U、Pu等核素，成为长期的安全隐患。如何安全、有效、经济地进行乏燃料后处理成为核能可持续发展的重大科学与工程问题。主要处理乏燃料的候选方法是在核燃料循环过程增加萃取工艺流程。萃取剂的选择是实现工程应用的基础，既要具有优异的萃取性能，还要具有良好辐照稳定性和可靠性。在乏燃料后处理过程中，遇到的问题是萃取剂受到高能量(一般在4.2～6.2Me范围内)α粒子的辐射作用，将产生复杂的辐解行为，生成不同的辐解产物，进而严重影响对核素的萃取性能。鉴于此，在乏燃料萃取剂的设计开发中，其α粒子辐照效应便成为了该领域的关键研究内容。

对于萃取剂的α粒子辐照效应研究，主要采用内源法与外源法。内源法是向萃取剂中加入²³⁸Pu、²⁴¹Am、²⁴²Cm、²⁴⁴Cm等α核素进行辐照；后者是通过粒子加速器产生的α粒子从外部对萃取剂进行辐照。基于内源法的萃取剂α辐照效应研究最接近真实的乏燃料后处理过程，但以放射性核素为基础的α内源法存在不少缺陷，如绝大多数研究机构难以获得²³⁸Pu等α核素资源；需要对α核素进行萃取来分析辐解产物，极易引起分析结果失真，并对环境产生放射性污染；放射源不易与萃取剂分离，会继续放出α粒子，导致实际剂量难以确定，不能对辐解效应准确研究等。相对而言，基于粒子加速器的外源法更具研究应用可行性，包括中国、美国、英国、日本等在内的多个国家都已经开展过萃取剂的α粒子辐照效应研究。

在上述外源法研究中，最为核心的是加速器α粒子辐照系统这一实验平台，如基于回旋加速器、静电串列加速器及离子注入机等的辐照系统等。但是，目前已经建立的辐照系统还存在不足与缺点，主要包括两方面：(1)大多数粒子加速器或离子注入机提供的α粒子辐照能量偏低，与实际乏燃料后处理工况中的α粒子能量(4.2～6.2MeV)不匹配，难以准确地模拟实际工况的α粒子辐照效应；(2)现有装置都无法在线分析辐解产物、无法调控萃取剂辐照温度等，从而难以准确研究萃取剂的α粒子辐照过程与机理。

在线分析是材料研究的发展方向，可获取燃料萃取剂的高能粒子辐照效应的原位测试。与无机材料辐照不同的是，作为有机物，萃取剂会在辐照过程中形成气相或液相的辐解产物。按照常规的方法，辐照后取出样品再进行测试和分析，这会在操作、运送过程中丢失部分辐解产物的信息。当然，辐照温度与萃取剂辐照效应的关系也未明确。由于该工作需要大型加速器的设备终端的升级，条件要求苛刻，相关的研究装置在国内外，很少能涉及到这个领域。

综上，目前基于粒子加速器的萃取剂α粒子辐照系统由于在粒子能量、在线分析等方面存在缺点，还难以完全准确地模拟工况环境下的乏燃料萃取剂α粒子辐照效应。

发明内容

针对现有基于粒子加速器的萃取剂α粒子辐照系统存在的难以准确地模拟萃取剂的α粒子辐照效应、无法在线分析辐解产物、无法调控萃取剂辐照温度等技术问题，本发明的目的旨在提供一种基于回旋加速器的乏燃料萃取剂α粒子辐照系统及其辐照方法，可针对实际工况下萃取剂α粒子辐照效应的技术要求，准确地模拟实际工况环境下的乏燃料萃取剂α粒子辐照效应，并在线获取辐照温度与气相或液相辐解产物、萃取剂辐照效应的关系。