加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)中液態(tài)有窗和無窗靶的中子物理及熱工水力特性.pdf

1、隨著人類社會的迅速發(fā)展，人們對能源的需求日益增大。核能作為一種清潔、安全和經(jīng)濟的能源形式受到了全球的廣泛重視。然而，核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，給人類社會帶來了極大的利益的同時也讓人們面臨著如何妥善處理核廢料的難題。核電廠運行產(chǎn)生的高放射性核廢料能否得到妥善處置、核資源能否得到充分利用和核反應(yīng)堆能否安全有效運行，這些問題都將制約著核電的發(fā)展，因而研究和實現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展是十分有必要的。為了解決這些難題，20世紀末期國際上提出了加速器驅(qū)動次臨界系

2、統(tǒng)（ADS）的概念，它是集產(chǎn)能和嬗變核廢料為一體，且能較好地提高核燃料利用率的系統(tǒng)，是一種能實現(xiàn)核裂變能可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新型路線。
　　中子散裂靶作為耦合ADS系統(tǒng)中加速器和次臨界系統(tǒng)的重要部件，其中子物理學特性和熱工水力特性是整個ADS系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。針對ADS系統(tǒng)散裂靶，國際上提出了多種設(shè)計方案，本文主要圍繞散裂靶中最有潛力的液態(tài)有窗靶和液態(tài)無窗靶，采用蒙特卡洛MCNPX程序和計算流體力學CFX軟件對這兩種靶件進行了中子

3、學和熱工水力學方面的數(shù)值模擬分析。
　　本文首先以歐洲PDS-XADS液態(tài)有窗靶的結(jié)構(gòu)設(shè)計為原型，采用MCNPX程序模擬有窗靶內(nèi)質(zhì)子與靶核的散裂反應(yīng)和中子輸運過程，計算得出靶區(qū)內(nèi)中子通量的空間分布具有從靶窗下方開始先增大后減小的特點，散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子主要為快中子，中子的主要能量范圍為0.4-2MeV。靶區(qū)內(nèi)的熱沉積密度隨距靶窗中心的徑向半徑和軸向深度的增大而逐漸減小，靶窗內(nèi)的熱沉積密度隨距離靶中心軸的角度?的增大呈橢圓形衰減。采

4、用CFX程序研究液態(tài)鉛鉍合金在有窗散裂靶內(nèi)的內(nèi)部流動規(guī)律和熱輸運過程，為了使數(shù)值模擬的結(jié)果真實可信，本文通過研究液態(tài)鉛鉍合金的特性和對CFX中不同的湍流模型進行評價，得出SST模型為CFX計算液態(tài)有窗靶件的合適湍流模型。討論在不同工況下靶窗的散熱特性，得出隨著冷卻劑進口流速、冷卻劑進口溫度、冷卻劑入口湍流強度的不斷增大，冷卻劑對靶窗的冷卻效果越好，更有利于靶窗的散熱。分析不同流動方式下有窗靶內(nèi)的流動換熱特性，得出冷卻劑向上流動為液態(tài)有窗

5、靶應(yīng)采用的較合適的流動方式。由于靶窗散熱是液態(tài)有窗靶研究的重點，為了改善靶窗的散熱能力，本文還對有窗靶結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，分析得出隨著靶窗厚度的不斷減小，靶窗內(nèi)表面溫度逐漸地降低；靶窗形狀對靶窗的散熱有一定影響，長軸在水平方向上的橢球形靶窗的散熱效果較好；改變靶件的幾何形狀對靶窗散熱效果有較大的影響；在有窗靶內(nèi)引入導(dǎo)流板和球形突起后，靶區(qū)內(nèi)的流場變得更加復(fù)雜，使得冷卻劑對靶窗的散熱能力得到了一定程度的提高。
　　接著，本文采用CF

6、X程序以歐洲最新的MYRRHA液態(tài)無窗散裂靶為原型進行數(shù)值分析，采用標準k-ε湍流模型、Cavitation模型和VOF界面捕捉方法，研究液態(tài)鉛鉍合金及其蒸汽兩相含氣蝕相變的流動特性和靶區(qū)內(nèi)冷卻劑自由界面的形態(tài)特征。對于液態(tài)無窗靶，自由界面的穩(wěn)定形成是無窗靶研究的難點，因而本文研究了不同工況下自由界面的動態(tài)行為，并得到了形成穩(wěn)定自由界面形態(tài)的控制方法，分析得出流體出口壓力在10000-40000Pa和流體入口流速在0.5-1.2m/s的

7、范圍內(nèi)時無窗液態(tài)靶內(nèi)出現(xiàn)了兩個穩(wěn)定的氣液分界面，自由界面附近的流場結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，出現(xiàn)了漩渦區(qū)，而漩渦區(qū)內(nèi)的紊亂流動形態(tài)，造成了自由界面的波動。由于液態(tài)無窗靶內(nèi)流場結(jié)構(gòu)和相分布的復(fù)雜性，本文只研究了當自由界面形態(tài)達到穩(wěn)定后無窗靶內(nèi)的中子學特性，采用MCNPX程序模擬計算得出無窗靶內(nèi)中子通量的空間分布、中子能譜分布和能量沉積，并將計算得到的靶區(qū)內(nèi)的熱沉積作為熱源輸入到CFX程序中模擬研究無窗靶內(nèi)的傳熱特性，分析得出隨著熱源的持續(xù)加入，熱量在靶