C-ADS HEBT末段真空質(zhì)子束窗與準(zhǔn)直器相關(guān)物理問(wèn)題研究.pdf

1、近年來(lái)全球氣候環(huán)境惡化，世界能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，同時(shí)傳統(tǒng)核能發(fā)展受到諸多瓶頸制約，新型清潔能源的發(fā)展備受重視，在這一背景下國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)展了加速器驅(qū)動(dòng)的清潔核能系統(tǒng)ADS(Accelerator Driven Sub-Critical System)的研究與物理概念設(shè)計(jì)，中國(guó)ADS項(xiàng)目(C-ADS)自1999年列入“973計(jì)劃”以來(lái)得到了快速的發(fā)展，并取得了階段性的成果。目前C-ADS處于加速器物理設(shè)計(jì)階段，并計(jì)劃于～2032年建成為質(zhì)子束

2、能量為1.5GeV，功率為15MW的強(qiáng)流質(zhì)子加速器和≥1GWt的示范嬗變反應(yīng)堆裝置。
　　與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)役加速器相比較，C-ADS中加速器具有高流強(qiáng)高功率和高運(yùn)行可靠性的特點(diǎn)，并且運(yùn)行時(shí)間＞99％，因此對(duì)加速器物理設(shè)計(jì)提出了極高的技術(shù)要求。C-ADS高能質(zhì)子輸運(yùn)線(HEBT,high energy proton beam transport line)連接了直線加速器和嬗變堆/廢束箱，起到了束斑變換、束流監(jiān)測(cè)、束流準(zhǔn)直等作用。真空質(zhì)子

3、束窗(PBW，proton beam window)是位于HEBT末段用于隔離加速器真空環(huán)境和靶系統(tǒng)非真空環(huán)境的部件，保證了加速器的真空運(yùn)行環(huán)境，對(duì)C-ADS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到重要作用。本論文通過(guò)計(jì)算給出了適用于C-ADS中的真空質(zhì)子束窗的初步設(shè)計(jì)參數(shù)。準(zhǔn)直器是HEBT上另一重要組件，主要作用是減少加速器末段由靶出射的反角中子對(duì)磁鐵等組件的輻射損傷，本文根據(jù)C-ADS-IIIHEBT初步設(shè)計(jì)方案給出準(zhǔn)直器初步模擬計(jì)算。
　　強(qiáng)流質(zhì)

4、子束穿過(guò)質(zhì)子束窗時(shí)與束窗材料的相互作用會(huì)引起束流散射及能量沉積，并且對(duì)束窗造成輻射損傷。束流散射效應(yīng)會(huì)使得束流到達(dá)靶面時(shí)束暈增大、靶外功率損失增加，增加了靶系統(tǒng)材料性能要求及屏蔽設(shè)計(jì)難度。束窗內(nèi)的束流能量沉積會(huì)引起束窗溫度升高，進(jìn)而影響束窗的機(jī)械性能，因此束窗應(yīng)配備良好的冷卻系統(tǒng)。束窗材料的輻射損傷會(huì)對(duì)束窗的機(jī)械性能產(chǎn)生影響進(jìn)而影響使用壽命。因此束流散射效應(yīng)、能量沉積及冷卻、輻射損傷以及束窗的機(jī)械性能是束窗設(shè)計(jì)最為重要的因素，本論文從這

5、幾個(gè)方面對(duì)質(zhì)子束窗進(jìn)行了計(jì)算討論。
　　本文首先總結(jié)比較了現(xiàn)有加速器系統(tǒng)中的（主要是國(guó)內(nèi)外散裂中子源）質(zhì)子束窗設(shè)計(jì)，選取了多管道型真空質(zhì)子束窗(multiple pipes proton beam window)進(jìn)行計(jì)算討論，并根據(jù)C-ADS一期、二期和三期工程加速器束流物理初步設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)束窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整以滿足要求。
　　本文使用大型蒙特卡洛粒子輸運(yùn)程序FLUKA計(jì)算討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料下多管道型束窗的束流

6、散射效應(yīng)，給出了在不同功率損失要求下束窗材料選取及初步結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。文中給出了束窗材料輻射損傷計(jì)算結(jié)果，包括束窗材料的DPA、氣體生成率及其他余核生成率，并根據(jù)束窗材料的DPA給出束窗壽命的初步估算，同時(shí)也為束窗機(jī)械性能的進(jìn)一步研究提供參考。
　　本文使用FLUKA計(jì)算了束窗中的束流能量沉積，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)束窗進(jìn)行了單向流固耦合計(jì)算，得到了C-ADS一期、二期和三期工程中束窗冷卻條件及溫度場(chǎng)分布。
　

7、　本文根據(jù)束窗流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果，使用大型工程仿真技術(shù)平臺(tái)ANSYSWorkbench對(duì)束窗進(jìn)行了應(yīng)力分析，給出了不同運(yùn)行條件下束窗的應(yīng)力分布。在綜合分析計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上給出了有望用于C-ADS中的束窗初步設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行條件。
　　C-ADS強(qiáng)流質(zhì)子入射到靶(液態(tài)Pb-Bi)時(shí)產(chǎn)生的大量中子是嬗變反應(yīng)堆的驅(qū)動(dòng)中子源，但是靶內(nèi)各向同性發(fā)射的蒸發(fā)中子會(huì)在沿質(zhì)子入射方向產(chǎn)生大量的反角散射中子，對(duì)HEBT上的磁鐵、束流監(jiān)測(cè)設(shè)備等組件造成輻射