ADS高功率散裂靶温度和中子监测系统的设计

发布时间：2018-02-27 21:35

本文关键词： 颗粒流散裂靶随机堆积能量沉积中子通量 EPICS控制系统 ADS　出处：《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：加速器驱动的次临界系统(ADS)由高能质子加速器、重金属散裂靶、和次临界反应堆组成。它的原理是利用加速器将质子束流加速,然后轰击到散裂靶上产生中子,进而驱动次临界反应堆运行。ADS系统在使用燃料方面更加灵活,即:ADS系统并不局限于铀或钚等易裂变燃料,还可以使用其它普通的裂变燃料(如:钍)。要在ADS系统中产生很强的中子源,关键技术之一是建立一个高功率散裂靶。本论文基于中国的ADS系统(CIADS),探讨了高功率散裂靶的监测技术,特别是如何监测靶温度和散裂中子的变化。CIADS系统采用能量为250MeV的质子束流轰击钨靶,设计的最大堆功率为10兆瓦。本论文研究的成果也适用于任意功率的ADS系统。为了更好地研究散裂靶温度和散裂中子的监测技术,本文首先利用Geant4程序进行了散裂反应过程的能量沉积和中子产额仿真计算。在CIADS系统中,散裂靶垂直位于次临界反应堆的中心,靶容器为圆柱体状,内部填充着直径很小的钨颗粒球体。为了在Geant4计算中构建颗粒靶的几何模型,本文自主设计算法,分别针对半径为2毫米、3毫米和5毫米的颗粒球体进行了随机堆积。从堆积结果来看,在散裂靶长度低于50毫米时,颗粒球体的堆积密度随着散裂靶长度的增加而增大,而在散裂靶长度超过50毫米时,颗粒球体的堆积密度基本上保持不变。另外,从堆积结果分析得到:颗粒球体的堆积密度与靶容器的半径以及颗粒球体的半径无关。在构建了颗粒靶几何模型后,本文研究了质子束轰击圆柱形固体靶和颗粒靶时,能量沉积沿着靶轴向和径向的分布情况。研究结果显示颗粒靶能量沉积的轴向分布比固体靶更加均匀,布拉格峰位置也更深。在径向分布方面,固体靶和颗粒靶的能量沉积都沿着靶半径方向而快速下降。靶中心区域的能量沉积比靶边缘区域高出约四个量级,这说明能量主要集中在散裂靶的中心区域,而在靶边缘处的能量却很低,即温度基本上保持不变。如果束流偏离散裂靶中心区域,那么,靶容器在离束流较近处的能量沉积和温度会急剧升高。因此,本文在靶容器对称位置安装四套温度传感器,通过对温度的综合判断来检测束流是否打偏。此外,本文对比分析了固体靶和颗粒靶的中子产额和中子泄露情况。研究结果显示颗粒钨靶的中子产额远远高于固体钨靶,这是由于颗粒靶内部颗粒之间存在空隙,导致钨对中子的吸收作用较固体靶更小而造成的。因此,颗粒靶可以为次临界反应堆提供更多的中子。本节还分析了沿靶轴向方向的中子产额,由于测量位置与靶之间距离的不同,中子通量会随z值的变化而发生变化。在中心位置处(z=0毫米处)的中子通量比底部位置(如:z=1000毫米)处的中子通量高出三个量级。因此,在实际工程中,需要在上部、中部和底部位置分别安装中子探测器来测量中子通量在垂直方向上的分布情况。同样,为了检测束流是否打偏,本文在靶容器的周围安装四套中子探测器。模拟结果显示,当束流向一侧偏离时,偏离位置和与其对称位置处中子探测器的输出电流之比高达三。最后,本文设计了一套散裂靶的温度和中子监测系统。该监测系统包括:(1)在靶容器周围以90度间隔的四个位置各安装一套热电偶传感器和一套中子探测器,它们安装在同一高度、并且靠近散裂反应区的位置,监测并判断束流是否偏离散裂靶中心区;(2)在散裂靶底部收口位置安装四套热电偶传感器,结合上面四套热电偶的温度信息,来判断颗粒球体在靶容器内部的运动状态;(3)在散裂靶外部安装十八套自给能中子探测器,来测量上部、中部和底部位置的中子通量,其中探测到的中子包括散裂中子和裂变中子。文章的最后还讨论了该监测系统如何集成到CIADS总体控制系统当中。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL50

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