密集颗粒流靶换热问题研究
发布时间：2021-09-03 00:17
加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-critical System,ADS）可以对核废料进行有效嬗变处理,用于产生中子的散裂靶是ADS关键部件之一。在对ADS研究中,中国科学院近代物理研究所提出了密集颗粒流靶（Dense Granular Target,DGT）概念。密集颗粒流靶是一种较为新颖的靶设计方案,该方案中采用固体颗粒作为散裂材料和冷却工质,颗粒与加速器束流发生散裂反应放出中子,同时,颗粒将散裂反应的沉积能量移出靶体并进行异地换热,散裂靶内颗粒的温升不仅与束流有关,同时与颗粒流速、环境工况等存在密切关系。可控核聚变是解决未来能源问题的有效方法之一,国际上展开了国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）项目,该项目中需要高通量中子源对聚变结构材料进行辐照损伤实验,加速器中子源是一理想选择。在ADS先导专项和ITER中子源项目支持下,研究团队展开了小型中子源（Compact Materials Irradiation Facility,CMIF）的研究,CMIF借鉴...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
世界核反应堆和运行容量[1]
第1章引言3或自身裂变放出中子（放射性核素中子源）；二是核反应堆在运行过程中核燃料发生链式反应产生大量中子（反应堆中子源）；三是高能加速器粒子束流轰击靶材发生核反应放出大量中子（加速器中子源）。放射性核素中子源有两种：一种是核素衰变产生α或γ射线轰击质量数孝中子结合能低的元素（7Li、9Be、11B等），利用（α，n）或（γ，n）核反应放出中子；另一种是一些重核元素不稳定会自发裂变从而放出裂变中子。放射性核素中子源是被最先使用的中子源，其具有体积孝方便使用的优点，但是放射性核素中子源通量很低，强度很小，且其强度随着时间的推移而减弱，具有寿命限制。裂变反应堆中核燃料（U、Pu、Th等）在中子作用下诱发裂变，每次裂变反应放出2-3个中子，可以形成很强的中子场，中子通量高，因此裂变反应堆也可以被作为中子源使用，但反应堆中子源能谱较软，同时反应堆散热技术限制中子最高通量水平。加速器中子源有散裂中子源、电子加速器中子源和其他加速器中子源，在高通量、宽能谱可调的中子束需求中，散裂中子源可以说是最理想的选择。目前加速器技术不断发展，高能强流质子加速器产生的质子束流可以达到几百MeV量级甚至GeV量级，在束流轰击下重原子核靶（如W、U等）不稳定而发生散裂反应（图1.2），每个散裂过程可放出20-30个中子，放出的中子会发散到各个方向，利用加速器高能强流质子束流可以极大提高中子产生效率。图1.2散裂反应原理[3]Figure1.2Principleofspallationreaction
密集颗粒流靶换热问题研究6图1.3SINQ固体靶[6]Figure1.3SolidtargetofSINQ固体靶虽然结构简单，但在高功率束流作用下靶材会沉积大量热量[7]，结构材料会发生形变造成性能的下降，长时间强辐照环境也会造成靶体损伤而脆化，最终影响靶体的稳定性和安全性，这些都是固体靶面临的问题[8]。同时，固体靶采用在线热移除方式，这限制了固体靶功率的提升，其功率水平难以达到兆瓦级别。散裂靶靶体热沉积若通过离线的方式进行异地换热处理，将会极大提高散裂靶运行功率，基于这种设想人们提出了液态金属靶（HeavyLiquidMetal，HLM）方案。液态金属靶不同于固体靶，液态金属在靶系统中循环流动，在靶区进行束靶耦合产生中子并沉积热量，在流动过程中将沉积的热量带到异地进行离线换热处理，由于采用了离线热处理的方式，使其具有强大的热移除能力，散裂靶的功率得到了极大提升。目前HLM主要采用液态铅-铋合金（LeadBismuthEutectic,LBE）和汞作为散裂材料[9]。在液态金属靶的发展中，最早采用的是有窗靶的结构。20世纪末，PSI的MEGAPIE项目最先采用液态金属靶设计（图1.4），该项目最初由美日韩等八个国家的研究机构共同提出，在SINQ原址上建设，并参考SINQ的靶件设计，2006年MEGAPIE启动后在约1MW束流条件下运行了四个多月，第一次证实了液态金属靶在MW量级束流功率条件下可安全稳定运行，PSI的实验在HLM的研究发展中具有里程碑的意义，为其他HLM靶的设计提供了相应的依据和经验。同时期美国ORNL（OakRidgeNationalLaboratory）展
本文编号：3380016
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
世界核反应堆和运行容量[1]
第1章引言3或自身裂变放出中子（放射性核素中子源）；二是核反应堆在运行过程中核燃料发生链式反应产生大量中子（反应堆中子源）；三是高能加速器粒子束流轰击靶材发生核反应放出大量中子（加速器中子源）。放射性核素中子源有两种：一种是核素衰变产生α或γ射线轰击质量数孝中子结合能低的元素（7Li、9Be、11B等），利用（α，n）或（γ，n）核反应放出中子；另一种是一些重核元素不稳定会自发裂变从而放出裂变中子。放射性核素中子源是被最先使用的中子源，其具有体积孝方便使用的优点，但是放射性核素中子源通量很低，强度很小，且其强度随着时间的推移而减弱，具有寿命限制。裂变反应堆中核燃料（U、Pu、Th等）在中子作用下诱发裂变，每次裂变反应放出2-3个中子，可以形成很强的中子场，中子通量高，因此裂变反应堆也可以被作为中子源使用，但反应堆中子源能谱较软，同时反应堆散热技术限制中子最高通量水平。加速器中子源有散裂中子源、电子加速器中子源和其他加速器中子源，在高通量、宽能谱可调的中子束需求中，散裂中子源可以说是最理想的选择。目前加速器技术不断发展，高能强流质子加速器产生的质子束流可以达到几百MeV量级甚至GeV量级，在束流轰击下重原子核靶（如W、U等）不稳定而发生散裂反应（图1.2），每个散裂过程可放出20-30个中子，放出的中子会发散到各个方向，利用加速器高能强流质子束流可以极大提高中子产生效率。图1.2散裂反应原理[3]Figure1.2Principleofspallationreaction
密集颗粒流靶换热问题研究6图1.3SINQ固体靶[6]Figure1.3SolidtargetofSINQ固体靶虽然结构简单，但在高功率束流作用下靶材会沉积大量热量[7]，结构材料会发生形变造成性能的下降，长时间强辐照环境也会造成靶体损伤而脆化，最终影响靶体的稳定性和安全性，这些都是固体靶面临的问题[8]。同时，固体靶采用在线热移除方式，这限制了固体靶功率的提升，其功率水平难以达到兆瓦级别。散裂靶靶体热沉积若通过离线的方式进行异地换热处理，将会极大提高散裂靶运行功率，基于这种设想人们提出了液态金属靶（HeavyLiquidMetal，HLM）方案。液态金属靶不同于固体靶，液态金属在靶系统中循环流动，在靶区进行束靶耦合产生中子并沉积热量，在流动过程中将沉积的热量带到异地进行离线换热处理，由于采用了离线热处理的方式，使其具有强大的热移除能力，散裂靶的功率得到了极大提升。目前HLM主要采用液态铅-铋合金（LeadBismuthEutectic,LBE）和汞作为散裂材料[9]。在液态金属靶的发展中，最早采用的是有窗靶的结构。20世纪末，PSI的MEGAPIE项目最先采用液态金属靶设计（图1.4），该项目最初由美日韩等八个国家的研究机构共同提出，在SINQ原址上建设，并参考SINQ的靶件设计，2006年MEGAPIE启动后在约1MW束流条件下运行了四个多月，第一次证实了液态金属靶在MW量级束流功率条件下可安全稳定运行，PSI的实验在HLM的研究发展中具有里程碑的意义，为其他HLM靶的设计提供了相应的依据和经验。同时期美国ORNL（OakRidgeNationalLaboratory）展
本文编号：3380016
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