C-ADS HEBT末段真空质子束窗与准直器相关物理问题研究

发布时间：2020-04-05 17:55

【摘要】：近年来全球气候环境恶化,世界能源危机日益严峻,同时传统核能发展受到诸多瓶颈制约,新型清洁能源的发展备受重视,在这一背景下国内外纷纷开展了加速器驱动的清洁核能系统ADS (Accelerator Driven Sub-Critical System)的研究与物理概念设计,中国ADS项目(C-ADS)自1999年列入“973计划”以来得到了快速的发展,并取得了阶段性的成果。目前C-ADS处于加速器物理设计阶段,并计划于-2032年建成为质子束能量为1.5GeV,功率为15MW的强流质子加速器和≥1GWt的示范嬗变反应堆装置。与国内外现役加速器相比较,C-ADS中加速器具有高流强高功率和高运行可靠性的特点,并且运行时间99%,因此对加速器物理设计提出了极高的技术要求。C-ADS高能质子输运线(HEBT, high energy proton beam transport line)连接了直线加速器和嬗变堆/废束箱,起到了束斑变换、束流监测、束流准直等作用。真空质子束窗(PB W, proton beam window)是位于HEBT末段用于隔离加速器真空环境和靶系统非真空环境的部件,保证了加速器的真空运行环境,对C-ADS系统的稳定运行起到重要作用。本论文通过计算给出了适用于C-ADS中的真空质子束窗的初步设计参数。准直器是HEBT上另一重要组件,主要作用是减少加速器末段由靶出射的反角中子对磁铁等组件的辐射损伤,本文根据C-ADS-III HEBT初步设计方案给出准直器初步模拟计算。强流质子束穿过质子束窗时与束窗材料的相互作用会引起束流散射及能量沉积,并且对束窗造成辐射损伤。束流散射效应会使得束流到达靶面时束晕增大、靶外功率损失增加,增加了靶系统材料性能要求及屏蔽设计难度。束窗内的束流能量沉积会引起束窗温度升高,进而影响束窗的机械性能,因此束窗应配备良好的冷却系统。束窗材料的辐射损伤会对束窗的机械性能产生影响进而影响使用寿命。因此束流散射效应、能量沉积及冷却、辐射损伤以及束窗的机械性能是束窗设计最为重要的因素,本论文从这几个方面对质子束窗进行了计算讨论。本文首先总结比较了现有加速器系统中的(主要是国内外散裂中子源)质子束窗设计,选取了多管道型真空质子束窗(multiple pipes proton beam window)进行计算讨论,并根据C-ADS一期、二期和三期工程加速器束流物理初步设计参数对束窗的结构参数进行了相应的调整以满足要求。本文使用大型蒙特卡洛粒子输运程序FLUKA计算讨论了不同结构参数和材料下多管道型束窗的束流散射效应,给出了在不同功率损失要求下束窗材料选取及初步结构参数设计。文中给出了束窗材料辐射损伤计算结果,包括束窗材料的DPA、气体生成率及其他余核生成率,并根据束窗材料的DPA给出束窗寿命的初步估算,同时也为束窗机械性能的进一步研究提供参考。本文使用FLUKA计算了束窗中的束流能量沉积,并使用计算流体动力学软件FLUENT对束窗进行了单向流固耦合计算,得到了C-ADS一期、二期和三期工程中束窗冷却条件及温度场分布。本文根据束窗流体力学计算结果,使用大型工程仿真技术平台ANSYS Workbench对束窗进行了应力分析,给出了不同运行条件下束窗的应力分布。在综合分析计算结果的基础上给出了有望用于C-ADS中的束窗初步设计参数及运行条件。 C-ADS强流质子入射到靶(液态Pb-Bi)时产生的大量中子是嬗变反应堆的驱动中子源,但是靶内各向同性发射的蒸发中子会在沿质子入射方向产生大量的反角散射中子,对HEBT上的磁铁、束流监测设备等组件造成辐射损伤,准直器正是用于阻挡反角散射中子从而保护HEBT末段组件与部件。本文利用FLUKA对C-ADS-Ⅲ HEBT末段进行了简化建模和辐射场计算,给出了准直器的位置及初步尺寸参数设计,以及其对质子通道内反角散射中子产生的辐射场和磁铁寿命的影响的初步讨论。文中总结了计算过程中存在的问题及局限性,并对下一步完善设计及实际应用提出建议。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL503

【参考文献】