CN103096610B - 加速器与无窗散裂靶界面耦合系统及液面稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统及液面稳定方法，加速器与无窗散裂靶界面耦合系统包括入口滞流起旋段、锥形汇流管和有压质子束入射管，所述入口滞流起旋段、锥形汇流管形成贯通的流体通道，在入口滞流起旋段注入金属液体，该金属液体在流体通道内形成自由液面，所述流体通道中自由液面的上部装置有压质子束入射管，所述有压质子束入射管通过等离子体气压差分装置与加速器真空束流管相连接，所述入口滞流起旋段的内壁上设置滞流起旋肋片环。以实现消除真空条件下无法满足稳定垂直流动的目的。

Description

加速器与无窗散裂靶界面耦合系统及液面稳定方法

技术领域

本发明涉及核设施中的加速器驱动次临界系统（ADS），具体地，涉及一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统及液面稳定方法。

背景技术

加速器驱动次临界系统（ADS）是国际上近年来进行研究建设的一种新型核设施，这一设施是能够提供超高强度中子源、进行相关核试验、并集处理核废料和核反应发电于一身的未来核工业新星。

ADS系统主要由强流质子加速器、散裂靶件及次临界堆芯三部分组成。该系统是一个通过强流质子加速器产生束流，束流作用于重金属靶件而发生核散裂反应的过程，在这一过程中能够产生大量高能中子，供试验和核废料嬗变使用。为了能够提高核散裂反应的强度，提供更高通量的高能中子，需要更大的束流功率，这就需要更加稳定，更加有效散热的散裂靶件。目前，散裂靶件主要分为：固态散裂靶及液态散裂靶两类，其中液态散裂靶又分为有窗液态散裂靶和无窗液态散裂靶两种。固态靶在加速器强束流作用下会发生脆化、肿胀、融化等现象，无法适应强流散裂靶长期工作，而液态靶在使用过程中如果靠束窗隔绝液态自由液面和加速器束流管道则称为液态有窗靶，其窗体材料为固体，仍面临固态靶中的相同问题，长期运行可靠性无法保证。无窗液态散裂靶既能够通过循环散热维持结构部件的稳定，又能够解决散裂靶束窗的损坏问题，近年来得到核科学专家的青睐。

但无窗液态散裂靶在实际应用仍存在一些问题，其中最重要的就是与加速器的耦合问题。加速器是通过强电磁场加速带电粒子获得极高能量的精密科学装置，在其运行时为了维持带电粒子的良好运行状态，加速器装置需要运行在极高的真空条件下，通常在运行时都要和外界进行隔离，而在无窗靶的工作条件下，是无法使用束流窗进行隔离的。这一方面是散裂靶运行时，散裂反应中可能产生的气体和散裂靶高温产生的蒸气对加速器的威胁，另一方面是加速器运行的真空环境也使散裂靶必须处在真空状态下工作。因此，就带来了加速器与散裂靶耦合工作的问题。目前虽已发明了数种使用自由液面的散裂靶件，但其在真实ADS系统中仍存在许多问题：（1）、已有靶型于供流段真空环境下，液态金属在垂直管道中流动时会产生不稳定真空区；（2）、形成的自由液面在加速器束流的作用下会产生蒸气与嬗变气体，而已有靶型设计并未对其进行适当的处理，这样的散裂靶件无法在实际应用中与加速器进行连接；（3）、已有靶型的自由液面通过下方气体压力进行调节，但是这样的调节比较间接，在ADS靶实际运行过程中由于本区域自然产生的空区均为真空，如果通过在下方充入气体增加压力，只能使得上部液面升高，并且会在下方区域的液体注入过程中带入气泡，给系统运行带来不稳定因素。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统及液面稳定方法，以实现消除真空条件下无法满足稳定垂直流动的难题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，包括入口滞流起旋段、锥形汇流管和有压质子束入射管，所述入口滞流起旋段、锥形汇流管形成贯通的流体通道，在入口滞流起旋段注入金属液体，该金属液体在流体通道内形成自由液面，所述流体通道中自由液面的上部装置有压质子束入射管，所述有压质子束入射管通过等离子体气压差分装置与加速器真空束流管相连，所述入口滞流起旋段的内壁上设置滞流起旋肋片环；

所述入口滞流起旋段：为金属液体注入锥形汇聚管提供稳定的入口流动条件；

所述锥形汇流管：设置在入口滞流起旋段下部，将入口滞流起旋段流入的流体以预设锥形角度汇聚，进而形成自由液面；

所述有压质子束入射管：管内空间与自由液面相连通，管内充入气体形成压力，用来控制上述自由液面，并通过等离子体气压差分装置与上方的加速器真空束流管相连，以此种方式解决加速器束流管道所需真空运行环境及其与散裂靶运行环境之间的耦合问题。

根据本发明的优选实施例，所述滞流起旋肋片环包括肋片和圆形骨架，所述肋片侧缘连接在圆形骨架上，所述肋片与圆形骨架轴向的夹角为可调的，其夹角调节范围为0°至30°。

根据本发明的优选实施例，所述入口滞流起旋段是由圆柱入口管内壁和有压质子束入射管外壁形成的环形流体通道。

根据本发明的优选实施例，所述锥形汇流管的锥形壁面与锥形汇流管轴向的角度为5°至30°。

根据本发明的优选实施例，所述有压质子束入射管内的气压调节范围为pa。

同时本发明还提供一种液面稳定的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在等离子体气压差分装置工作下，将液体从入口滞流起旋段注入锥形汇流管形成自由液面；

S2：将气体注入有压质子束入射管，随着气压的不断注入，所述有压质子束入射管内气体压力升高，而由于等离子体气压差分装置的工作，有压质子束入射管上方的加速器真空束流管仍处于真空工作状态；

S3：在有压质子束入射管内气体压力的作用下，上述自由液面降低，液体在锥形汇流管汇流时形成的回流区域得到抑制；

S4：通过气体的反馈调节抑制外部不稳定因素对自由液面的影响。

本发明的技术方案，提供一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统及液面稳定方法，在入口滞流起旋段设置滞流起旋肋片环，滞流起旋肋片环的上下方流体压差大于其自身液位静力压差，保证了流体在真空环境下垂直稳定流动，同时由于等离子体气压差分装置的工作，在保证加速器真空束流管正常工作的情况下，通过调节有压质子束入射管中的气压，消除无法参与循环流动的环流区，并且进一步降低自由液面，达到了消除真空条件下无法满足稳定垂直流动的目的，解决了散裂靶件在ADS实用装置中的稳定接合问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统剖视图；

图3为本发明实施例所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统中滞流起旋肋片环的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统中等离子体气压差分装置的结构示意图；

图5为图4所示的等离子体气压差分装置的俯视图；

图6为图4所示的等离子体气压差分装置的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，包括入口滞流起旋段、锥形汇流管和有压质子束入射管，入口滞流起旋段、锥形汇流管形成贯通的流体通道，在入口滞流起旋段注入金属液体，该金属液体在流体通道内形成自由液面，流体通道中自由液面的上部装置有压质子束入射管，有压质子束入射管通过等离子体气压差分装置与加速器真空束流管相连，入口滞流起旋段的内壁上设置滞流起旋肋片环；

入口滞流起旋段：为金属液体注入锥形汇聚管提供稳定的入口流动条件；

锥形汇流管：设置在入口滞流起旋段下部，将入口滞流起旋段流入的流体以预设锥形角度汇聚，进而形成自由液面；

有压质子束入射管：管内空间与自由液面相连通，管内充入气体形成压力，用来控制上述自由液面，并通过等离子体气压差分装置与上方的加速器束流管道相连。

其中，如图3所示。滞流起旋肋片环包括肋片和圆形骨架，肋片侧缘连接在圆形骨架上，肋片与圆形骨架轴向的夹角为可调的，其夹角调节范围为0°至30°。入口滞流起旋段是由圆柱入口管内壁和有压质子束入射管外壁形成的环形流体通道。锥形汇流管的锥形壁面与锥形汇流管轴向的角度为5°至30°。有压质子束入射管内的气压调节范围为pa。

同时本发明还提供一种液面稳定的方法，包括以下步骤：

S1：在等离子体气压差分装置工作下，将液体从入口滞流起旋段注入锥形汇流管形成自由液面；

S2：将气体注入有压质子束入射管，随着气体的不断注入，有压质子束入射管内气体压力逐渐升高，而由于此时等离子体气压差分装置的作用，有压质子束入射管上方的加速器真空束流管仍处于真空工作状态；

S3：在有压质子束入射管内气体压力的作用下，上述自由液面降低，液体在锥形汇流管汇流时形成的回流区域得到抑制；

S4：通过气体的反馈调节抑制外部不稳定因素对自由液面的影响。

如图1、图2所示，一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，整体结构为轴对称结构，可以在ADS系统中进行安装。其主要部件包括入口滞流起旋段11、锥形汇流管12、以及有压质子束入射管13。在入口滞流起旋段中装置有滞流起旋肋片环14。

入口滞流起旋段11、锥形汇流管12构成贯通流道，液态金属自入口滞流起旋段11注入，经滞流、起旋作用，流经锥形汇流管12后，形成自由液面20，自由液面20上方为有压质子束入射管13的管腔，在有压质子束入射管13中的可调气体压力作用下，对液面进行控制和调节。同时有压质子束入射管13经由等离子体压力差分系统19向上与ADS束流管道相连接。

在入口滞流起旋段11中，装置有可拆卸的滞流起旋肋片环14，滞流起旋肋片环14中的肋片15与轴线的夹角在0°-30°之间，可以通过机械方式进行传动控制。滞流起旋肋片环14为O型环，肋片15通过固定架16进行连接，固定架16定位于入口滞流起旋段11的环形流道当中，并自入口滞流起旋段11的下端开始装置，并可多组累装。

滞流起旋肋片环14的肋片15数量需由入口滞流起旋段环形流道几何尺寸及工作流速计算确定，其密度应使得水力直径降至6mm以下，使得流体在流经该段时，其压头损失大于静压差，以起到滞流作用。

锥形汇流管12的壁面倾角为5°-30°范围，其具体角度与长度选择受到入口滞流起旋段11尺寸与来流流速的影响，经过具体计算和工程调节，以形成如图2所示的自由液面20为准。在该锥度角范围内，基本能够满足不同型号的实用ADS装置运行，覆盖了通常的ADS的尺寸及液态金属流量。

有压质子束入射管13位于形成的自由液面20上方，并构成入口滞流起旋段11的流道内环。有压质子束入射管13上可通过注气口17与排气口18进行0-10⁴pa的气压调节，从而直接调节、稳定自由液面20。在有压质子束入射管13上端装置有等离子体气压差分装置19，该等离子体气压差分装置现阶段可采用等离子体真空窗。经过一级或多级的等离子体气压差分装置，在上方的管道内可以形成10^-4pa以下的真空，满足ADS实用装置中的对接真空条件。

其具体工作过程为，入流流体自入口滞流起旋段11上方入口注入，流经滞流起旋肋片环14，消除注入锥形汇流管12时前真空环境中由于重力作用导致的垂直流动不稳定，并产生可控的均匀旋转流，进入锥形汇流管12。在锥形汇流管12的锥形壁面汇聚作用下，于下游形成自由液面20。自由液面20上方为有压质子束入射管13，通过调节有压质子束入射管13的气体压强，消除无法参与循环流动的环流区，并且进一步降低液面位置，保障系统安全运行，在运行当中，通过有压质子束入射管13中气体负反馈，稳定液面。与此同时，有压质子束入射管13由于等离子体气压差分装置19的装置，能够真正提供与实用ADS加速器的束流接口。

通过联合有压质子束入射管13和滞流起旋肋片环14能够在运行过程中进行实时的自由液面20调节与控制，满足ADS系统使用过程中入口滞流起旋段11对于不同来流变化的液面维持。在应用本专利的实验中，通过调节气体压力，能够形成真正ADS实用的自由液面20，在任何情况下均处于受控状态的锥形液面。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，其特征在于，包括入口滞流起旋段、锥形汇流管和有压质子束入射管，所述入口滞流起旋段、锥形汇流管形成贯通的流体通道，在入口滞流起旋段注入金属液体，该金属液体在流体通道内形成自由液面，所述流体通道中自由液面的上部装置有压质子束入射管，所述有压质子束入射管通过等离子体气压差分装置与加速器真空束流管相连接，所述入口滞流起旋段的内壁上设置滞流起旋肋片环；

所述入口滞流起旋段：为金属液体注入锥形汇聚管提供稳定的入口流动条件；

所述锥形汇流管：设置在入口滞流起旋段下部，将入口滞流起旋段流入的流体以预设锥形角度汇聚，进而形成自由液面；

所述有压质子束入射管：管内空间与自由液面相连通，管内充入气体形成压力，用来控制上述自由液面，并通过等离子体气压差分装置与加速器真空束流管相连接；滞流起旋肋片环自入口滞流起旋段的下端开始装置，并可多组累装；

所述滞流起旋肋片环包括肋片和圆形骨架，滞流起旋肋片环的肋片数量由入口滞流起旋段环形流道几何尺寸及工作流速计算确定，其密度应使得水力直径降至6mm以下，使得流体在流经入口滞流起旋段时，其压头损失大于静压差，以起到滞流作用。

2.根据权利要求1所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，其特征在于，所述滞流起旋肋片环包括肋片和圆形骨架，所述肋片侧缘连接在圆形骨架上，所述肋片与圆形骨架轴向的夹角为可调的，其夹角调节范围为0°至30°。

3.根据权利要求1所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，其特征在于，所述入口滞流起旋段是由圆柱入口管内壁和有压质子束入射管外壁形成的环形流体通道。

4.根据权利要求1、2或3所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，其特征在于，所述锥形汇流管的锥形壁面与锥形汇流管轴向的角度为5°至30°。

5.根据权利要求1、2或3所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统，其特征在于，所述有压质子束入射管内的气压调节范围为pa。

6.一种在权利要求1至5任一项所述的加速器与无窗散裂靶界面耦合系统中液面稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在等离子体气压差分装置工作下，将液体从入口滞流起旋段注入锥形汇流管形成自由液面；

S2：将气体注入有压质子束入射管，随着气压的不断注入，所述有压质子束入射管内气体压力升高；

S3：在有压质子束入射管内气体压力的作用下，上述自由液面降低，液体在锥形汇流管汇流时形成的回流区域得到抑制；

S4：通过气体的反馈调节抑制外部不稳定因素对自由液面的影响。