CN102946686A - 一种基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置。本发明的液态金属散裂中子靶装置包括：等离子体窗和液态金属靶；等离子体窗设置在液态金属靶的前端；其中，液态金属靶进一步包括：液体容器，内部装有液态金属靶材料；在液体容器的内部设置有高压腔体、热交换机和液态金属循环管道；高压腔体设置在液体容器的顶部，在底部的中心设有开口；粒子束通过开口与承受束流轰击部分相接触；热交换机在液体容器的内壁上，将热量排到外界；以及金属液体通过液态金属循环管道在液体容器内部循环。本发明实现了对液态金属靶的无窗密封；减少粒子束在等离子体窗的通道的束流损耗；减少液态金属的气化；减少金属的蒸汽进入真空管道内。

Description

一种基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置

技术领域

本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置。

背景技术

加速器驱动次临界系统ADS是利用强流质子加速器轰击重金属靶产生散裂中子，为次临界堆提供外源中子，用以驱动次临界堆运行。散裂中子靶作为ADS系统中连接强流中能质子加速器和反应堆的耦合部分，其设计成为影响ADS系统稳定安全运行的关键技术问题。

现有的散裂中子靶主要有三类，分别为固态靶、带窗体液态靶和无窗液态金属靶。固体靶(R&D of a MW-class solid-target for a spallation neutron source,Masayoshi Kawai,MichihiroFUrusaka,Journal of Nuclear Materials 318(2003))应用于低功率密度束流条件下，随着功率密度的增加，由于冷却效率的限制，固态靶件容易损坏。在更高功率密度下则选用带窗体或无窗的液态靶。然而带窗体的液态靶（Window target unit for the lead-bismuth cooled primary system,D.Coors,D.Vanvor,carried out within the PDS-XADS Work Package 4.3collaboration）在高温，高辐照的苛刻环境下连续工作，常见的窗体材料都很难达到要求。对于质子束能达到5MW或者更高功率的工作条件下，则只有无窗液态金属靶（MYRRHA:Design and verificationexperiments for the windowless spallation target of the ADS prototype MYRRHA,Katrien VanTichelen,Peter Kupschus,Institute ofPhysics,University of Latvia）能够满足要求。后两种靶正处于研究设计阶段，两者各有优缺点，使用寿命都难以确认，因为这由材料腐蚀，辐照损伤（包括高流强中能质子以及高能中子），以及热疲劳等多方面因素决定。总的上来讲，无窗靶相对有窗靶对辐射损伤不敏感，是最适合的高功率靶设计方案。但由于金属蒸汽以及自由面的原因，其散热和水力设计也更复杂得多。现有技术中的无窗液态金属靶，采用真空腔体，设置在内部装有液态金属靶材料的液体容器的顶部，真空腔体的底部的中心设有开口，来自真空管道的粒子束通过真空腔体在开口处与承受束流轰击部分相接触。然而，由于承受束流轰击部分的上表面为真空，液态金属的液面为自由液面，这种自由液面不稳定，液态金属易挥发，使得金属蒸气通过真空腔体进入到真空管道内，腐蚀真空管道。现有技术中，为防止挥发的金属蒸气进入真空管道，对于挥发的液态金属进行抽真空，然而这种抽真空的装置的效果不理想，并且造价昂贵。

等离子体窗是一种新型的无窗密封技术，可以实现从一个大气压到高真空的无窗连接。

发明内容

为了克服现有技术中散列中子靶设计在高功率密度工作条件下的问题，本发明提供一种基于等离子窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置，能够在高能量密度沉积的强流中能粒子束注入下长时间稳定工作，为次临界堆提供稳定的中子源。

本发明的目的在于提供一种基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置。

本发明的液态金属散裂中子靶装置包括：等离子体窗和液态金属靶；等离子体窗设置在液态金属靶的前端；其中，液态金属靶进一步包括：液体容器，内部装有液态金属靶材料；在液体容器的内部设置有高压腔体、热交换机和液态金属循环管道；高压腔体设置在液体容器的顶部，在底部的中心设有开口；粒子束通过开口与承受束流轰击部分相接触；热交换机在液体容器的内壁上，将热量排到外界；以及液态金属通过液态金属循环管道在液体容器内部循环。

本发明的液态金属靶的液体容器内设置有高压腔体，内部充满高压的惰性气体。本发明利用等离子体窗，实现了真空管道与高压腔体之间的无窗密封连接。高压腔体可以在液态金属的液面上存在一个高气压作用，能更好的控制液态金属的液面，可以更容易设计出稳定的液态金属循环系统，实现对靶材料的连续冷却，减少合金的气化；同时，高压腔体内注入的低温高压惰性气体对金属合金蒸汽具有冷却作用，使大部分金属蒸汽沉降到底部，从而减少其进入真空管道内。

在高压腔体的底部的开口处，由于高压气体的压力与液态金属的液面的压力维持平衡，该表面形成了粒子束与液态金属的反应面。在该表面，粒子束与液态金属反应，高密度能量沉积使得反应面周围的金属温度迅速升高。但是由于整个底部置于冷却的液态容器中，受热液体金属在一个形状像倒置的漏斗的液态金属循环管路的约束下，受热的高温液态金属会上浮，并且由于液态金属的循环管路在反应面处截面积最小，使得流速加快提高冷却效果；上升的热流体在顶部的热交换机进行冷却。由于冷却后的液体金属的密度更大，会自动下沉到底部推动底部受热的液体向上浮动，于是在整个液体容器内形成自然回流。

本发明进一步包括供气装置，在等离子体窗与液态金属靶相连接的部分设置有进气孔，供气装置通过进气孔，将低温的惰性气体输入至高压腔体内。

本发明的等离子体窗包括电弧放电系统和抽真空系统；抽真空系统位于电弧放电系统的前端，并且在其顶部设置有粒子束注入端口。电弧放电系统进一步包括等离子体密封窗窗体，窗体是由多片中间衬有绝缘片的金属板组成，每片金属板与绝缘片的中间均开有孔径相同的小孔，多片金属板和绝缘片的小孔形成了等离子体通道；在等离子体通道的一端设置阴极；在等离子体通道另一端设置阳极。在阴极和阳极之间加上引弧高压，可使等离子体通道内发生放电，放电后，等离子体通道内的电阻降低，阴极和阳极之间一个高电压。等离子体通道内通过的电流越大，在等离子体通道的两端产生的压力差越大，隔离了真空与高压，从而起到了等离子体窗的密封作用。

抽真空系统由两级以上抽真空装置组成，抽气后可以达到10⁴Pa的高真空。第一级抽真空装置的顶部设置有粒子束注入端口

强流中能粒子束从粒子束注入端口进入等离子体窗；等离子体窗形成的磁场对强流中能粒子束具有一定的聚焦作用，减少粒子束在等离子体窗的通道的束流损耗。

等离子体窗进一步设置有气体回收系统，气体回收系统的一端连接抽真空系统的前端，另一端连接进气孔，从而将通过等离子体窗的惰性气体重新输送回高压腔体内。

高压腔体设置在液体容器的顶部，为了使得自由扩束的粒子束能够通过，其半径大于10cm；高压腔体的底部为半球形，在底部的中心设有开口。由于等离子体窗进行无窗密封，可以在液态金属的液面上存在一个高气压作用，能更好的控制液态金属的液面，可以更容易设计出稳定的液态金属循环系统，实现对靶材料的连续冷却，减少液态金属的气化。进一步，高压腔体内注入的低温高压的惰性气体对液态金属的蒸汽具有冷却作用，使大部分金属的蒸汽沉降到底部，从而减少其进入真空管道内。

本发明的优点：

1）实现了对液态金属靶的无窗密封，等离子体窗密封高压气体的等效厚度远小于传统金属靶窗材料的厚度，因而可以减少其对强流中能粒子束的能损以及束流损耗，同时省去了传统有窗靶设计对靶窗材料的苛刻要求，突破了散热和辐照损伤对靶设计的瓶颈；

2）等离子体窗本身形成的磁场对强流中能粒子束具有一定的聚焦作用，减少粒子束在等离子体窗的通道的束流损耗；

3）利用等离子体窗无窗密封，可以在液态金属的液面上存在一个高气压作用，能更好的控制液态金属的液面，可以更容易设计出稳定的液态金属循环系统，实现对靶材料的连续冷却，减少液态金属的气化；

4）高压腔体内注入的低温高压的惰性气体对液态金属的蒸汽具有冷却作用，使大部分金属蒸汽沉降到底部，从而减少其进入真空管道内。

附图说明

图1为本发明的基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置的结构示意图；

图2本发明的基于等离子体窗无窗密封的液态金属散裂中子靶装置的等离子体窗的放大的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的液态金属散裂中子靶装置包括：等离子体窗6和液态金属靶；等离子体窗6设置在液态金属靶的前端；其中，液态金属靶进一步包括：液体容器1，内部装有液态金属靶材料；在液体容器1的内部设置有高压腔体2、热交换机3和液态金属循环管道4；高压腔体2设置在液体容器1的顶部，在底部的中心设有开口；粒子束通过开口与承受束流轰击部分5相接触；热交换机3在液体容器1的内壁上，将热量排到外界；以及液态金属通过液态金属循环管道4在液体容器内部循环。采用粘贴或者机械安装，将等离子体窗6设置在液态金属靶的前端。

在本实施例中，液态金属靶采用Pb-Bi液态合金靶。惰性气体采用氩Ar气体。

如图2所示，在等离子体窗6与液态金属靶相连接的底部设置有进气孔71，供气装置72通过进气孔71，将低温的惰性气体输入至高压腔体2内。

如图2所示，等离子体窗6包括电弧放电系统61、抽真空系统62和气体回收系统63。电弧放电系统进一步包括等离子体密封窗窗体，窗体是由多片中间衬有绝缘片612的金属板611组成，每片金属板611与绝缘片612的中间均开有孔径相同的小孔，多片金属板和绝缘片的小孔形成了等离子体通道613；在等离子体通道613的一端设置阴极614；在窗体的另一端设置阳极615。抽真空系统62由三级抽真空装置组成，并在第一级抽真空装置的顶部设置有粒子束注入端口设置有粒子束注入端口621，抽气后可以达到10⁴Pa的高真空。来自真空管道的粒子束通过粒子束注入端口621进入液态金属散裂中子靶装置。气体回收系统63的一端连接抽真空系统62的前端，另一端连接进气孔71，从而将通过等离子体窗6的惰性气体重新输送回高压腔体2内。

高压腔体2设置在液体容器1的顶部，为了使得自由扩束的粒子束能够通过，其半径达到15cm，高压腔体2的底部为半球形，在底部的中心设有开口，直径为10mm；。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种液态金属散裂中子靶装置，其特征在于，所述散裂中子靶装置包括：等离子体窗（6）和液态金属靶；等离子体窗（6）设置在液态金属靶的前端；其中，液态金属靶进一步包括：液体容器（1），内部装有液态金属靶材料；在液体容器（1）的内部设置有高压腔体（2）、热交换机（3）和液态金属循环管道（4）；高压腔体（2）设置在液体容器（1）的顶部，在底部的中心设有开口；粒子束通过开口与承受束流轰击部分（5）相接触；热交换机（3）在液体容器（1）的内壁上，将热量排到外界；以及液态金属通过液态金属循环管道（4）在液体容器内部循环。

2.如权利要求1所述的散裂中子靶装置，其特征在于，进一步包括供气装置（72），在等离子体窗（6）与液态金属靶相连接的底部设置有进气孔（71），所述供气装置（72）通过进气孔（71），将低温的惰性气体输入至所述高压腔体（2）内。

3.如权利要求2所述的散裂中子靶装置，其特征在于，所述等离子体窗（6）包括电弧放电系统（61）和抽真空系统（62）；所述抽真空系统（62）位于所述电弧放电系统（61）的前端，并且在其顶部设置有粒子束注入端口（621）。

4.如权利要求3所述的散裂中子靶装置，其特征在于，所述电弧放电系统（61）进一步包括等离子体密封窗窗体，窗体是由多片中间衬有绝缘片（612）的金属板（611）组成，每片金属板（611）与绝缘片（612）的中间均开有孔径相同的小孔，多片所述金属板和绝缘片的小孔形成了等离子体通道（613）；在所述等离子体通道（613）的一端设置阴极（614）；在所述等离子体通道（613）的另一端设置阳极（615）。

5.如权利要求3所述的散裂中子靶装置，其特征在于，所述抽真空系统（62）由两级以上抽真空装置组成，并在第一级抽真空装置的顶部设置有粒子束注入端口（621）。

6.如权利要求3所述的散裂中子靶装置，其特征在于，所述等离子体窗进一步设置有气体回收系统（63），所述气体回收系统（63）的一端连接抽真空系统（62）的前端，另一端连接进气孔（71），从而将通过所述等离子体窗（6）的惰性气体重新输送回所述高压腔体（2）内。

7.如权利要求1所述的散裂中子靶装置，其特征在于，所述高压腔体（2）设置在液体容器（1）的顶部，半径大于10cm；所述高压腔体（2）的底部为半球形，在底部的中心设有开口。

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