流化固体颗粒散裂靶中子学计算方法及设计研究

发布时间：2019-12-01 23:15

【摘要】：流化固体颗粒靶是为满足ADS系统超高束流功率需求而提出的新型高功率散裂靶概念。利用重力驱动的致密型固体颗粒流作为靶材料及换热剂,流化固体颗粒靶在实现离线换热功能的同时,可以避免液态重金属的流动不稳定、材料腐蚀及磨蚀、化学毒性泄露等诸多致命缺陷,为满足几十MW级束流功率的ADS系统对当前散裂靶技术提出的极限挑战提供了一种很有潜力的解决方案。作为一种新型的ADS散裂靶设计概念,流化固体颗粒靶的中子学设计及参数优化在很多方面与常规固体靶或液态金属靶有所不同,而最重要的区别就是需结合颗粒流的状态参数进行真实的中子学模拟。本论文从流化固体颗粒靶中子学分析及束靶参数优化设计的目的出发,对散裂反应机制及物理计算模型进行了较为深入和全面的研究,依赖可靠的散裂反应模型自主开发了专用的流化固体颗粒靶中子学计算程序,并依此开展了ADS流化固体颗粒靶的中子学及束靶参数的优化分析。全文的内容安排如下:第一章是流化固体颗粒靶的提出背景及其中子学计算问题的介绍,具体包括1)高功率散裂靶发展历史的回顾及现阶段发展水平的介绍;2)ADS系统的国际研究背景及其设计参数对高功率散裂靶技术提出的挑战,国内ADS的研究进展及流化固体颗粒靶的提出;3)流化固体颗粒靶中子学计算问题及其专用计算程序的发展和设计思路。第二章是散裂反应物理及其计算模型的研究。关于散裂反应物理,本章首先从反应机制的角度对散裂反应中的核内级联过程和退激发过程进行了简单介绍,随后重点分析了不同反应阶段在中子发射方式上的区别,并总结了构成散裂中子学特性的能谱形状及各项同/异性。关于散裂反应计算模型,本章首先介绍了核内级联模型的基本假设及模型的发展,重点介绍了INCL模型及其相对其他模型的优越之处。随后介绍了退激发模型的发展及ABLA模型的相对优越性。第三章是对自主高能蒙卡输运程序的全面介绍。具体包括1)gmt程序的几何及材料模块设计介绍。特别介绍了流化固体颗粒靶几何建模方法及几何搜寻算法特殊设计;2)gmt粒子输运实现介绍。包括输运算法特别是针对颗粒靶的高效输运算法设计、反应截面模块设计、电磁过程实现、强相互作用过程中涉及到的多种物理过程及其计算模型集成等。其中,针对颗粒靶的输运算法设计是程序最具创新性的内容,通过特殊输运算法的采用,极大地提高了颗粒靶中子学计算效率。此外,程序中核反应模型的全面集成及合理搭配对中子学计算结果至关重要,通过incl核内级联模型、abla蒸发/裂变模型、fermibreak-up碎裂模型以及低能中子数据模型的集成和搭配,gmt在中子学计算方面获得了令人满意的准确度;3)gmt程序反应模型的gpu并行化情况介绍。第四章是对常规散裂靶中子学设计方法进行的一般性讨论。首先,通过对如何获得较高的散裂中子产额进行基础的讨论和总结,为进一步的散裂靶中子学设计方法讨论提供概念性前提。其次,对常规散裂靶中子经济性、中子学性能及束靶参数优化进行一般性的讨论。第五章是流化固体颗粒靶中子学优化分析及参数设计讨论。首先,由于颗粒的流动状态及相关参数是流化固体颗粒靶中子学及相关计算的基础,该部分内容首先分析了基于超级计算机进行的颗粒流dem模拟大体结果,并简单说明了采用自主高效蒙卡输运程序对流化固体颗粒靶进行详细、真实的中子学及相关计算的必要性。其次,对流化固体颗粒靶中子经济性、中子学性能及相关束靶参数进行了较为全面的扫描计算和优化分析,给出中子经济性和中子学性能相对优化的束靶参数。在进行中子学及束靶参数优化分析的过程中,通过纯钨材料和钨铁镍合金的对比,讨论了钨合金的采用对流化固体颗粒靶中子经济性及中子学性能的影响。最后,论文对流化固体颗粒靶的热沉积功率进行了较为详实的讨论和优化分析。除了从热沉积中子经济性的角度再次讨论了束流能量的优化问题,该部分内容更多地分析了流化固体颗靶在超高运行功率方面的潜力。并对可能影响流化固体颗粒靶功率参数的耦合界面处颗粒流扰动问题进行了相关讨论和分析。第六章是本论文主要工作及相关研究结论的简单总结,以及未来相关工作的展望。
【图文】：

中子产额,中子源,核反应,能量沉积

流化固体颗粒散裂靶中子学计算方法及研究[9]、同位素生产等应用方面也将发挥重大作用。正是由于巨大需求，散裂中子源从最早的几 kW 束流功率，经过几十年不提高到 MW 量级水平。随着束流功率的不断提高，靶系统成为发展的关键。对于散裂靶来说，由于 50%左右的束流功率会沉的体积内[10]，热移除能力就成了高功率散裂靶设计首先要考要的因素。

固体靶

流化固体颗粒靶体积占比也会更大。不可避免地，，会有更多的束流能量损失在冷却中子源亮度也会降低。因此，早期的固体靶包括 KEK 的 KEN(日本的 IPNS（美国）、LANL 实验室的 WNR（美国）和 RAL 实验室的 I，设计功率均在中低功率水平（几 kW 到百 kW 量级）。
【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】：2016
【分类号】：O571.5

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