针对大体量含氚水分离净化的需求，自主设计建设了三塔级联水精馏系统，内部装填有自研高性能填料。在中试实验过程中，以5～10 kg/h的处理量，完成了吨量级含氚轻水的分离处理，实现了贫化倍数高于2 000倍、富集倍数高于20倍的分离效果。测得规整填料等板高度为14 cm，散堆填料等板高度为4 cm，运行过程各关键参数稳定，全系统已稳定运行超过900 h，可满足规模化工程放大的要求。

通用热源（General-Purpose Heat Source，GPHS）是同位素温差电池（Radioisotope Thermoelectric Generators，RTG）中应用最成熟的热源模块，在同位素电源的研制与测试过程中，GPHS是电加热模拟热源等效性的关键参考。为满足同位素电源系统非核单元等效性测试与验证的需求，基于GPHS的各项实际性能参数，设计并仿制了一种电加热模拟热源。基于仿真计算与实验测试结果，分析评价了仿GPHS模拟热源的热输出特性、等效替代性及其在不同应用场景下的运行效果。当输入功率为250 W时，仿GPHS模拟热源表面平均温度可达515 K，且温度随功率变化的趋势与仿真结果相吻合。经实验测试，在250 W热源功率下，RTG模块的能量转化效率可提升至6%左右。本文提出并构建的仿GPHS模拟热源等效性良好，且可适用于同位素温差电池，对同位素电源的性能评价提供一种有效的、统一的参考标准。

采用蒙特卡罗方法开展了氚基同位素电池在辐致伏特效应和辐致光伏效应两种不同能量转换模式下的性能研究。探讨了换能材料的几何物理参数对电池电学输出性能的影响，设计制备了单层和叠层两类氚基同位素电池，测试分析了增大氚源强度、采用叠层构型两种方式对电池电学输出的提升效果。模拟结果表明：Si、SiC、GaAs光伏组件均可用于辐致伏特效应氚基同位素电池换能，且存在各自最佳厚度参数，使得电池电学输出性能达到最优，分别为3.8 μm、2.2 μm、1.7 μm；对于辐致光伏效应氚基同位素电池，可通过调整ZnS∶Cu荧光层的厚度，使出射的荧光辐照度达到最大，进而优化电池电学输出性能。结果提示，增大氚源强度、采用叠层构型均可实现氚基同位素电池最大输出功率等电学参数的有效提升，其中并联叠层的最大输出功率可达到106.138 nW，相比于单层构型增幅超过64%。

医用同位素生产水溶液堆（Medical Isotope Production aqueous Reactor，MIPR）具有尺寸小、功率低和固有安全性高等优点，是⁹⁹Mo和其他医用同位素生产的较佳候选堆型之一。本文重点研究低富集铀启堆模式下的提取方式以及处理能力对MIPR生产⁹⁹Mo效率的影响。采用SCALE6.1蒙特卡罗程序、ENDF/B-Ⅶ 238群数据库进行计算。首先，根据已有的实验数据对MIPR中子学计算方法进行了验证，并对堆芯设计进行了中子学优化。然后，根据优化的堆芯模型对不同提取方式以及处理能力下的⁹⁹Mo生产效率进行了研究，确定了可实现临界的铀浓度与富集度范围。结果表明：在不同富集度下存在最小临界质量，且随²³⁵U富集度的增加，最小临界铀质量时的铀浓度减小；有效倍增因子随硝酸浓度增加线性减小，相应的硝酸反应性系数约为-1.400×10^-2 L·mol^-1；随着铀浓度的增加，空泡和温度反应性系数减小，对应反应性系数分别约在（-100 ? -250）×10^-3 ℃^-1和（-18 ? -30）×10^-5 ℃^-1范围。MIPR生产⁹⁹Mo的效率在线提取方式略高于离线批处理方式，5 d生产周期下，生产效率提高约16%。后处理能力对在线提取方式的生产效率影响较大，5 d生产周期下，后处理速率提高5倍，生产效率提高约113%。

随着核能与核技术的发展，核电站等场所在运行、退役、事故过程中会产生大量含氚废水，若其排放到环境中将对生物体造成潜在危害。目前，工业上常用的氢同位素分离技术（如低温精馏法和催化交换法等）存在能耗高、装置复杂或氢气爆炸危险等诸多缺点，不适用于核电站大通量低活度氚化水的分离。相较之下，水精馏作为一种传统的技术，具有操作简单、不含腐蚀性和有毒物质、无氢气爆炸风险等独特优势，但其分离系数小、效率低的问题一直存在。然而，通过改进水精馏过程中的操作参数（如温度、精馏塔内径、填料尺寸等）可以有效提高其分离效果，从而适应工业化氚化水的分离。本文详细介绍了水精馏法的基本原理及特点，并重点阐述了不同操作参数对分离效果的影响。结果表明：优化这些参数可以显著提高其分离效率，如减小填料材料的尺寸或对填料进行改性。因此，水精馏可以是一种有效的低活度氚化水分离方法，有望扩大化应用于工业用途。

稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法，基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术，作为一种较新的同位素丰度测量方法，具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点，得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例，阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下，选取了合适的同位素测量谱线对，实现了大气CO₂气体的¹³C测量精度为0.3‰，煤层气CH₄气体的¹³CH₄测量精度为1.25‰，冰川水H₂O中¹⁸O、¹⁷O和²H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰，以及呼吸气体中的¹³CO₂判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性，也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势，将是光谱研究领域关注的重点内容，并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。

随着我国核科学与核技术的发展，高丰度同位素的产量无法满足市场需求，极大地限制了相关领域的发展。因此，迫切需要发展高产额、高效率的电磁同位素分离装置。离子源作为电磁同位素分离器中的关键部分，其性能直接影响目标同位素的分离与产额。设计了一台2.45 GHz微波驱动的离子源用于稳定同位素电磁分离器的注入，目标是在引出能量40 keV下产生20 emA Xe⁺及5 emA Mo⁺。为了获得高密度等离子体，设计了双线包螺线管产生放电磁场，并通过仿真软件CST微波模块计算优化了高耦合效率的磁场位型和匹配波导。为了产生强流金属离子束，设计了内置放电室坩埚熔化金属氧化物。模拟结果表明：当加热丝电流为70 A时，坩埚温度最高为917 ℃，可以高效地产生金属钼蒸气，进入放电室进行离化。