CN102647848A

CN102647848A - 自由界面形成装置及无窗散裂靶件系统

Info

Publication number: CN102647848A
Application number: CN2012100953183A
Authority: CN
Inventors: 顾汉洋; 苏冠宇; 胡晨; 程旭
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102647848B

Abstract

一种自由界面形成装置，用于加速器驱动次临界系统的无窗散裂靶件，包括环形入口均流段、锥形汇聚段和控压下腔室，环形入口均流段、锥形汇聚和控压下腔室形成贯通的流体通道，环形入口均流段用于为锥形汇聚段提供稳定的入口流动条件；锥形汇聚段设置在环形入口均流段和控压下腔室之间，用于将环形入口均流段流入的流体以预先设定的锥度角汇聚形成自由界面，并且流体在锥形汇聚段出口以自由下落方式排入所述控压下腔室。本发明提供一种能够形成更加稳定完整自由界面的无窗散裂靶件自由界面形成装置，该装置所形成的自由界面流动场能够合理有效的减小自由界面液体侧回旋区域尺度，提升流动场热移出能力。

Description

自由界面形成装置及无窗散裂靶件系统

技术领域

本发明涉及加速器驱动次临界系统（ADS）中应用的一种无窗散裂靶件，具体涉及一种无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置、包括该装置的无窗散裂靶件系统。

背景技术

加速器驱动次临界嬗变系统（ADS）是国际公认在嬗变长寿命核废物、从根本上处置核废物的一个极有前途的新型核系统。ADS系统由强流质子加速器、散裂靶件和次临界堆芯构成。散裂靶件通过高能质子轰击重金属的散裂反应，为次临界堆芯提供维持运行所需的外部高能外部中子源。作为加速器和次临界堆芯的耦合部件，散裂靶件对系统整体的运行安全起到了至关重要的作用，是ADS系统研发的关键技术之一。

目前散裂靶件的类型主要有：固态散裂靶件，有窗液态散裂靶件（简称有窗散裂靶件），无窗液态散裂靶件（简称无窗散裂靶件）。固态散裂靶件是通过质子束轰击固态重金属发生散裂反应，但固态重金属靶件强度无法维持足够长的运行寿命；有窗散裂靶件通过质子束轰击液态重金属发生散裂反应，质子束传输管与液态重金属区域用固态窗体隔离，但目前没有窗体材料能在高能质子轰击和液态重金属腐蚀共同作用下达到足够长的运行寿命。

无窗散裂靶件通过维持液态重金属形成的稳定自由界面和重金属的低饱和压力，来确保质子传输管的高真空状态，避免了有窗散裂靶件窗体材料的瓶颈，同时自由界面流动还将带走高能质子轰击所产生的热量，避免液态重金属的挥发。虽然无窗散裂靶件避免了窗口材料的限制，但在研究和设计中，依然存在着两个关键的技术问题有待解决：其一是稳定完整的自由界面的形成和控制方法，其二是提高自由界面流动场的热移出能力。如中国专利申请文本《散裂靶件的自由界面形成构件》（公告日2011年5月18日，公告号CN 201838340 U，申请日2010年7月2日）中公告的一种散裂靶件的自由界面形成构件实用新型专利，该实用新型专利能够形成稳定完整的自由界面，并实现了对自由界面的控制。但目前设计的无窗散裂靶件均没有在保证自由界面完整稳定性的同时，合理有效的减小自由界面液体侧回旋区域，提高自由界面流动场的热移出能力。

综上所述，现有的散裂靶件不能同时兼顾自由界面完整稳定性、自由界面液体侧回旋区域有效减少性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由界面形成装置，以解决现有无窗散裂靶件均没有在保证自由界面完整稳定性的同时，能够合理有效的减小自由界面液体侧回旋区域的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种无窗散裂靶件系统，以解决现有无窗散裂靶件均没有在保证自由界面完整稳定性的同时，能够合理有效的减小自由界面液体侧回旋区域的技术问题。

一种自由界面形成装置，用于加速器驱动次临界系统的无窗散裂靶件，包括环形入口均流段、锥形汇聚段和控压下腔室，所述环形入口均流段、所述锥形汇聚和所述控压下腔室形成贯通的流体通道，其中：

环形入口均流段：用于为锥形汇聚段提供稳定的入口流动条件；

锥形汇聚段：设置在环形入口均流段和控压下腔室之间，用于将环形入口均流段流入的流体以预先设定的锥度角汇聚形成自由界面，并且流体在锥形汇聚段出口以自由下落方式排入所述控压下腔室，所述锥形汇聚段的流道壁面与对称轴方向形成的锥度角为12°-15°的角度范围；

控压下腔室：用于锥形汇聚段提供稳定出口压力，并形成散裂靶流体自由下落，稳定锥形汇聚段中的自由界面。

其中，环形入口均流段是由无窗散裂靶件圆柱入口段内壁和质子束入射管外壁形成的环形流体通道，该环形流体通道内以环形通道对称轴为中心沿径向辐射状安装若干均流导向肋片。

较佳地，均流导向肋片与对称轴之间的夹角根据入口边界条件需求设置在0°-60°的角度范围。

较佳地，所述均流导向肋片包括“L”型肋片元件和供“L”型肋片元件安装的环形定位底盘，所述“L”型肋片元件沿着底盘的盘面均匀地分布设置，并且，“L”型肋片元件包括端头和肋伸部，“L”型肋片元件通过所述端头卡固于环形定位底盘上，而肋伸部凸伸在底盘的下端。

较佳地，控压下腔室与锥形汇聚段连接处采用突扩方式，使流体以自由下落形式注设入控压下腔室，该突扩控压下腔室自由下落的设计形成下游自由界面。控压下腔室为圆柱形腔体。控压下腔室顶部安装的注气管通过注气和抽气的方式以气体控压为锥形汇聚段提供稳压环境。

一种无窗散裂靶件系统，包括以上提到的用于无窗散裂靶件的自由界面形成装置。

本发明针对现有无窗散裂靶件设计没能兼顾所形成自由界面完整稳定性与提高自由界面流动场的热移出能力的缺陷，提供一种能够形成更加稳定完整自由界面的无窗散裂靶件自由界面形成装置，该装置所形成的自由界面流动场能够合理有效的减小自由界面液体侧回旋区域尺度，提升流动场热移出能力。

在本发明的无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置中，可以通过改变散裂靶流体的入流速度，所述均流导向肋片的布置角度，以及所述控压下腔室的压力，来改变所形成自由界面的形状和位置。

本发明的无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置构件简单，各类构件的工业应用已经相当广泛，技术成熟且制造难度低，非常适用于工程应用。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2A是本发明均流导向肋片的侧视图；图2B是本发明均流导向肋片的截面视图；

图3是本发明锥形汇聚段示意图；

图4是本发明控压下腔室示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置，其整体呈旋转对称体结构，节省了该装置安装空间需求，可以应用于加速器驱动次临界系统紧凑型堆芯布置。

本发明包括环形入口均流段11，锥形汇聚段13和控压下腔室14。环形入口均流段11将流入的散裂靶流体整流得到周向均匀受控的工况送入锥形汇聚段13，锥形汇聚段13将散裂靶流体汇聚形成自由界面后排入控压下腔室14，控压下腔室14为锥形汇聚段13提供稳定出口压力，并形成散裂靶流体自由下落，稳定锥形汇聚段13中的自由界面。环形入口均流段11、所述锥形汇聚13和所述控压下腔室14形成贯通的流体通道

参见图1，环形入口均流段11是由无窗散裂靶件圆柱入口段内壁和质子束入射管12外壁形成的环形流体通道，该环形流体通道内以环形通道对称轴为中心沿径向辐射状安装若干均流导向肋片20，均流导向肋片20与对称轴夹角可根据不同入口旋转速度的边界条件需求由0°—60°改变。

参见图2A-图2B，在本发明的无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置中，均流导向肋片包括“L”型肋片元件21和供“L”型肋片元件安装的环形定位底盘22。“L”型肋片元件包括端头和肋伸部，“L”型肋片元件通过端头卡固于环形定位底盘上，而肋伸部凸伸在底盘的下端。受环形入口均流段11内均流导向肋片20的作用，流体将产生周向的流量均匀化效应，消除了周向的不可控重力自旋，可以获得稳定的非旋转均匀入流以及受控旋转的入流条件。

参见图3，锥形汇聚段13的流道壁面与对称轴方向形成的锥度角为经过数值优化后得到的12°—15°范围，具体角度的选择需要根据所应用的锥形段出口直径来确定：出口直径大，选择较大锥度角；出口直径小，选择较小锥度角。在该锥度角范围内，锥形汇聚段13可以将入口均流段11流入的散裂靶流体汇聚形成完整稳定的自由界面31，并合理有效的减小自由界面液体侧回旋流场的尺度，提高自由界面流场热移出能力。

参见图4，控压下腔室14为圆柱形腔体。控压下腔室14与锥形汇聚段13连接处采用突扩方式，使流体以自由下落形式注入控压下腔室14，该突扩控压下腔室自由下落的设计形成下游自由界面32，下游自由界面32的存在解除了下游流动波动对上游自由界面31的影响，对自由界面31有稳定效果。控压下腔室顶部安装的注气管可以通过注气和抽气的方式以气体控压为锥形汇聚段13提供稳压环境。

使用上述无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置形成自由界面31时，首先，将具有一定流速的散裂靶流体引入环形入口均流段11，在环形入口均流段11中，受环形入口均流段11内均流导向肋片20的作用，流体将产生周向的流量均匀化效应，消除了周向的不可控重力自旋，可以获得稳定的非旋转均匀入流以及受控旋转的入流条件；然后，锥形汇聚段13将入口均流段11流入的散裂靶流体汇聚形成完整稳定的自由界面31，并合理有效的减小自由界面液体侧回旋流场的尺度；最后，锥形汇聚段13将流体以自由下落形式注入控压下腔室14，自由下落的形式形成了下游自由界面32，下游自由界面32的存在解除了下游流动波动对上游自由界面31的影响，对自由界面31有稳定效果。即，本发明还提出一种使用上述任一无窗散裂靶件系统的自由界面形成装置的自由界面形成方法，包括以下步骤：

S1：散裂靶流体从环形入口均流流道流入；

S2：散裂靶流体在入口均流流道内，受均流导向肋片的作用，产生周向的流量均匀化效应，消除了周向的不可控重力自旋，可以获得稳定的非旋转均匀入流以及受控旋转的入流条件；

S3：经过均流调整的散裂靶流体进入所述锥形汇聚段，受到一定锥度角流道的汇聚作用后，在质子束入射管出口附近形成较为稳定的自由界面，以及较小的液体侧回旋流场；

S4：散裂靶流体在所述锥形段汇聚段出口以自由下落的方式落入所述控压下腔室，所述控压下腔室的稳压边界可以调节自由界面的位置，所述自由下落方式可以解除下游波动对上游自由界面的影响，对自由界面有稳定作用。

进一步的，可以通过改变散裂靶流体的入流速度，所述均流导向肋片20的布置角度，以及所述控压下腔室14的压力，来改变所形成自由界面31的形状和位置。在应用本专利进行的流量25m³/h-55m³/h实验中，分别通过调节每个流量下控压下方腔的压力，形成了不同长度的完整稳定的自由界面31，其中较短的自由界面呈现鼓形，较长的自由界面呈现倒锥形。各种工况下所形成的自由界面液体侧回旋流场均控制在一个较小的尺度内。从实验可知，以气体控压为锥形汇聚段13可以提供稳压环境。

此处公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种自由界面形成装置，用于加速器驱动次临界系统的无窗散裂靶件，其特征在于，包括环形入口均流段、锥形汇聚段和控压下腔室，所述环形入口均流段、所述锥形汇聚和所述控压下腔室形成贯通的流体通道，其中：

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，环形入口均流段是由无窗散裂靶件圆柱入口段内壁和质子束入射管外壁形成的环形流体通道，该环形流体通道内以环形通道对称轴为中心沿径向辐射状安装若干均流导向肋片。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，均流导向肋片与对称轴之间的夹角根据入口边界条件需求设置在0°-60°的角度范围。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述均流导向肋片包括“L”型肋片元件和供“L”型肋片元件安装的环形定位底盘，所述“L”型肋片元件沿着底盘的盘面均匀地分布设置，并且，“L”型肋片元件包括端头和肋伸部，“L”型肋片元件通过所述端头卡固于环形定位底盘上，而肋伸部凸伸在底盘的下端。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控压下腔室与锥形汇聚段连接处采用突扩方式，使流体以自由下落形式注设入控压下腔室，该突扩控压下腔室自由下落的设计形成下游自由界面。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控压下腔室为圆柱形腔体。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控压下腔室顶部安装的注气管通过注气和抽气的方式以气体控压为锥形汇聚段提供稳压环境。

8.一种无窗散裂靶件系统，包括用于无窗散裂靶件的自由界面形成装置，其特征在于，该包括环形入口均流段、锥形汇聚段和控压下腔室，所述环形入口均流段、所述锥形汇聚和所述控压下腔室形成贯通的流体通道，其中：

9.如权利要求8所述的无窗散裂靶件系统，其特征在于，环形入口均流段是由无窗散裂靶件圆柱入口段内壁和质子束入射管外壁形成的环形流体通道，该环形流体通道内以环形通道对称轴为中心沿径向辐射状安装若干均流导向肋片，均流导向肋片与对称轴之间的夹角根据入口边界条件需求设置在0°-60°的角度范围。