CN108899096B - 一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法 - Google Patents

一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法，该无窗散裂靶由无窗靶组件、激光器测距仪、机械传动机构、出口段叠片等组成。本发明的创新点在于无窗靶出口段由半圆环叠片组成，半圆环的内径大小渐进过渡，半圆环可以对称关联在两侧左右移动展开和闭合。本发明采用激光测距仪获得自由液面的高度，根据自由液面的实测高度与理想高度之差，由机械传动机构驱动散裂靶出口段的半圆环叠片的张开和闭合，控制出口半径的大小，出口半径越小，自由液面的相对高度越高，反之亦然，从而实现自由控制无窗靶自由液面高度的目的。本发明原理清晰，结构简单，操作控制容易，效果明显。

Description

一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法
技术领域
本发明涉及加速器驱动的次临界系统散裂靶的结构设计领域，具体涉及一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法，用于自由控制无窗散裂靶液态铅铋合金自由液面的高度，为无窗靶结构的设计定型、实验研究和ADS的长时间运行提供技术支持。
背景技术
加速器驱动的次临界系统(ADS)是一种高效嬗变处理高放核废料并兼顾发电的核装置。高能质子束直接射入散裂靶件中轰击重金属，通过质子与重金属在散裂靶件内部的散裂反应产生的中子来维持次临界堆芯中的链式反应并驱动反应堆运行。耦合次临界堆芯和质子加速器的散裂靶件是ADS的关键。散裂靶主要分为无窗靶和有窗靶，有窗靶中，靶窗壁将液态重金属和加速器分隔开，用来隔开质子束真空和液态散裂材料LBE，但是有窗靶的靶窗受到高能、高流强质子轰击和强中子辐照，存在窗的脆化和寿命，窗的冷却，蠕变条件下窗的热负荷，腐蚀性的环境，窗材料中由质子和快中子诱导的辐照损伤等问题，因此，靶的寿命和系统的安全性受到考验。长期的高能质子束轰击和辐照损伤会给窗壁材料选择带来巨大挑战。因此，无窗靶获得了越来越多的关注。
无窗靶用质子束流直接轰击液态金属，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束流管的高真空状态，同时，自由界面流动还将带走高能质子束轰击所产生的核热，避免液态重金属的挥发。无窗靶与有窗靶相比具有以下优点：辐射损伤问题很小，不需要开发高能质子和中子流强的耐磨材料；散裂反应效率提高，不存在靶窗的冷却和质子能量减小的问题；无需开发承受高能质子和强中子辐照的窗结构材料；靶单元寿命可以与燃料组件相匹配。可见，无窗靶能够解决有窗靶存在的致命问题，因此成为现在散裂靶的重点研究方向。然而，无窗靶的靶区表面蒸汽的存在会使真空恶化，外界干扰可能造成LBE进入真空束流管道，无窗靶自由液面不稳定还可能会影响中子分布及次临界堆的物理和热工性能。因此，无窗靶对自由液面(质子束流的最前端)稳定性的要求比较高，自由液面的形成和稳定控制是无窗靶设计的关键问题之一，目前对自由液面形成和控制问题的研究还未获得理想的解决方案。基于这一应用背景，在安徽省自然科学基金面上项目“加速器驱动次临界堆无窗靶液态金属铅铋流动与传热机理研究”的支持下，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：1)通过设计无窗散裂靶出口半径可调的方式，自由控制液态铅铋在散裂靶区形成自由液面的高度，保持无窗散裂靶自由液面的高度的稳定。2)使用激光测距仪测得液态金属自由液面的相对高度，用于传动机构控制出口半圆环叠片的移动，克服液态金属高温环境下不宜使用复杂控制电路的问题。该结构设计具有结构简单、成本低、易操作控制、实用性强，可在无窗散裂靶区获得稳定的自由液面。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法，包括如下步骤：
步骤101、根据科学实验模型或ADS系统散裂靶的结构尺寸设置无窗靶入口段的结构尺寸和运行参数；
步骤102、设置出口段的高度和叠片的数量，以及出口半径变化的曲线函数；
步骤103、液态铅铋合金从入口流入在散裂靶区形成自由液面；
步骤104、使用激光测距机获取自由液面的相对高度；
步骤105、使用传动机构控制出口叠片的横向移动，调节出口半径的大小，当自由液面高度高于理想状态的高度时，移动叠片扩大出口半径，当自由液面的高度低于理想状态下的高度时，移动叠片缩小出口半径；
步骤106、实时观测自由液面的高度，对叠片的移动进行微调，使液态铅铋的自由液面保持在理想高度。
具体步骤如下：
S1：设置无窗靶的质子束真空管内径D6＝200mm，外径为D5＝210mm，壁厚d1＝(D5-D6)/2＝5mm，高度H1＝350mm，束管末端三角形倒角，无窗靶结构材料为T91钢或其它许用材料；
S2：设置环形同心管内径D2＝320mm，外径D1＝332mm，壁厚d2＝(D1-D2)/2＝6mm，环形同心管末端束口，缩口直径D8＝200mm，束口管的高度H2＝218mm；
S3：设置环形同心管中间的导流板内径D4＝260mm，外径D3＝265mm，壁厚d3＝(D3-D4)/2＝2.5mm，导流板出口的束口直径D7与质子束管直径D6相同，束口的高度H3＝89mm；
S4：设置散裂靶区圆管内径D8＝200mm，壁厚为6mm，散裂靶区高度H5＝800mm；
S5：设置散裂靶区总出口高度H6＝240mm，出口半径圆弧过渡，由可以对半拆分的半圆环叠片组成，叠片数量为10个，单个叠片厚度24mm，每个圆环的内外直径光滑过渡，最小出口直径D9＝92mm；
S6：环形同心管为液态铅铋合金入口，散裂靶竖直放置，质子束管的真空度小于10-2Pa，液态铅铋合金受重力作用自由下落，从散裂靶出口自由流出，液态金属在散裂靶区形成稳定的自由液面；
S7：质子束真空管上方安装激光测距仪，垂直向下照射液态金属自由液面，获得液面的相对高度；
S8：出口段的半圆环叠片采用传动机构向两侧横向移动，根据S7中获得的自由液面实时测量高度值与理想值之差作为控制信号，驱动出口段半圆环叠片移动，改变散裂靶出口半径大小，从而使液态铅铋的自由液面稳定地控制在质子束真空出口位置；
S9：单个叠片的厚度越薄，出口段需要的叠片数量就越多，自由液面的高度控制越精准。散裂靶出口半径的变化曲率越小，叠片调节的灵敏度就越高，单个叠片的厚度和最小出口半径可根据需要进行定制设计。
其中，S5中描述出口圆环叠片可以对半拆分，对称的半圆环可以向两侧横向移动，出口段最底下的圆环半径决定了散裂靶出口的半径。
其中，S8中单个出口叠片的厚度H7可以根据需要定制，在出口段总高度H6一定的情况下，单个叠片厚度越小，叠片的数量越多，自由液面可调节的幅度范围就更加精准。
其中，在入口质量流率一定的情况下，散裂靶出口半径的大小决定了液态金属在散裂靶区形成自由液面的高度，由于出口半径可以通过移动出口段的半圆环叠片来调节，从而实现对自由液面高度的自由控制；这种出口半径可调的无窗散裂靶结构无论在科学实验系统还是在的散裂靶堆应用中，都可以节省大量定制不同结构模型所需的时间和经费，在实际应用中将有很高的实际应用价值。
其中，散裂靶结构尺寸参数并不唯一固定，可以根据需要进行修改，同时该无窗靶结构设计也适用于无窗靶的实验模型中，循环系统的流体不仅限于液态铅铋合金，对于其它流体工质同样适用。
一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶，该无窗散裂靶是上述的出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法设计加工的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有的无窗靶结构设计是在理论计算的基础上进行的，散裂靶出口半径的尺寸固定，散裂靶区的自由液面的高度调节主要靠入口质量流率的大小进行微调，自由液面的高度要求紧接在质子束真空的下方，那么散裂靶入口的结构设计参数就基本固定对应一个入口的质量流率，这种散裂靶结构设计要求对入口质量流率的控制要非常精准，并且质量流率可以调节幅度不大，入口质量流率偏大和偏小都无法形成理想的自由液面高度。本发明的无窗靶结构设计使用叠片式出口半径渐进变化的半圆环来调节出口的半径，从而控制自由液面的高度，这种设计方法既可以对同一入口质量流率下的自由液面高度进行微调，也可以满足不同入口质量流率下自由液面高度的调节，自由液面高度调节的自由度和入口质量流率的选取范围都大大提高。
(2)散裂靶区的液态金属和高能质子束的撞击会产生高温热量，散裂靶区域不适合使用电路控制散裂靶出口的半圆环的横向移动。本发明中液态金属自由液面的高度使用激光测距仪测量，叠片的移动使用机械传动来控制，避免了高温环境对系统运行的影响，提高了系统的稳定性和可靠性，同时也降低了成本。
(3)本发明的结构设计原理清晰，操作控制简单，自由液面控制范围广，对于无窗靶结构的设计定型实验和实际应用都有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶示意图(单位mm)。
图2为本发明一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶内部结构三维示意图(3/4模型)；图2中，1为激光测距仪，2为质子束真空管，3为环形导流板，4为环形液态铅铋合金入口，5为自由液面，6为散裂靶反应区域，7为叠片出口，8为传动机构，9为液态金属存储池。
图3为无窗散裂靶液态铅铋合金流动示意简图。
图4为出口段半圆环的出口半径函数关系曲线。
具体实施方式
结合附图给出本发明的具体实施方式，详细说明本发明的技术方案。
作为加速器驱动次临界堆系统(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)的核心部件，散裂靶件通过高能质子束与液态重金属的散裂反应，为次临界堆芯提供高能中子源。早期的散裂靶件采用金属窗口将加速器和靶件区域隔离，以保证加速器运行的真空安全。由于靶件窗口区域受到高能质子辐照和重金属腐蚀，目前还没有结构材料可以达到足够长的工作寿命。为了规避结构材料的难题，一种无窗靶件结构设计日益成为研究热点，如图1。无窗靶设计为双层同心管结构，内层圆管为质子束流导管，内外层圆管之间的环管为流动的液态铅铋合金(LBE)。液态铅铋从环管流入，沿导流板向下进入散裂靶区，形成自由液面。由于自由液面之上为质子束管，其压力仅为10-2Pa的准真空环境。为了避免LBE向上涌入质子束管或向下流动不足以形成稳定的自由液面，影响散裂反应，必须控制LBE在散裂靶区形成稳定的自由液面。因此，自由液面的形成和控制是整个散裂靶设计的关键，它直接影响着散裂中子的能量分布及其与堆芯燃料区的耦合效率。实验和仿真证明在入口流量一定的条件下，无窗靶出口段的出口半径的大小影响着自由液面的高低，其变化规律是出口半径越小，无窗靶的自由液面就越高，反之，则相反。
如图3所示，无窗散裂靶液态铅铋合金流动示意简图，液态铅铋合金在散裂靶区循环流动，无窗散裂靶是ADS进行散裂反应的核心区域，本发明的主要思想是围绕液态铅铋合金在散裂靶区形成稳定理想的自由高度，设计散裂靶出口段的半圆环叠片结构，通过激光测距仪获取自由液面的相对高度，根据自由液面的高度使用传动机构移动半圆环叠片的横向移动，来控制散裂靶出口的半径，从而实现对液态铅铋合金自由液面的可控可调。
如图1、2所示，为本发明一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法具体实现如下：
步骤101根据科学实验模型或ADS系统散裂靶的结构尺寸设置无窗靶入口段的结构尺寸和运行参数；
步骤102设置出口段的高度和叠片的数量，以及出口半径变化的曲线函数；
步骤103液态铅铋合金从入口流入在散裂靶区形成自由液面；
步骤104使用激光测距机获取自由液面的相对高度；
步骤105使用传动机构控制出口叠片的横向移动，调节出口半径的大小，当自由液面高度高于理想状态的高度时，移动叠片扩大出口半径，当自由液面的高度低于理想状态下的高度时，移动叠片缩小出口半径；
步骤106实时观测自由液面的高度，对叠片的移动进行微调，使液态铅铋的自由液面保持在理想高度。
实施例1：叠片式出口半径可调节无窗靶散裂靶结构设计方法，包括以下步骤：
S1：设计无窗靶出口段总的高度H6，高度为200-400mm之间，也可根据实际需要设置；
S2：设计无窗靶出口段出口半径的变化函数关系，H＝H0+A*X2，其中H为出口段的竖直高度，X为半圆环出口的半径，A比例系数，图4为出口段圆环的函数变化曲线，曲线中H0＝-160，A＝0.046，出口半径变化的函数表达式和常数可以根据需要进行设置。
S3：设置单个叠片的厚度H7，叠片的数量N＝H6/H7，叠片的数量越多，出口半径的控制越精准，但是叠片越薄，加工的难度越大，叠片为半圆环，成对称分布；
S4：质子束真空管上方设置激光测距仪，获取自由液面的相对高度H8；
S5：每个半圆环由机械传动螺杆控制横向移动，对称半圆环移动横向同步；
S6：散裂靶出口段下方为方形液态金属合金存储池，散裂靶出口的液态金属自由流入存储池中，存储池下方连接管道由电磁泵驱动液态金属循环使用，如图2和图3所示。
所述步骤S1和S3中，出口段的高度可以根据实际情况选取，一般在200-400mm之间，单个叠片的厚度以不小于1mm为宜，出口段高度过高，单个叠片厚度过薄，都会提高系统结构设计和加工的复杂程度。
所述步骤S2中，出口半径变化函数关系，曲线的曲率半径越小，单位高度上出口半径收缩越快。
实施例2：一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法，含以下步骤：
S1：设置无窗靶的质子束真空管内径D6＝200mm，外径为D5＝210mm，壁厚d1＝(D5-D6)/2＝5mm，高度H1＝350mm，束管末端三角形倒角，无窗靶结构材料为T91钢；
S2：设置环形同心管内径D2＝320mm，外径D1＝332mm，壁厚d2＝(D1-D2)/2＝6mm，环形同心管末端束口，缩口直径D8＝200mm，束口管的高度H2＝218mm；
S3：设置环形同心管中间的导流板内径D4＝260mm，外径D3＝265mm，壁厚d3＝(D3-D4)/2＝2.5mm，导流板出口的束口直径D7与质子束管直径D6相同，束口的高度H3＝89mm；
S4：设置散裂靶区圆管内径D8＝200mm，壁厚为6mm，散裂靶区高度H5＝800mm；
S5：设置散裂靶区总出口高度H6＝240mm，出口半径圆弧过渡，由可以对半拆分的半圆环叠片组成，叠片数量为10个，单个叠片厚度24mm，每个圆环的内外直径光滑过渡，最小出口直径D9＝92mm；
S6：环形同心管为液态铅铋合金入口，散裂靶竖直放置，质子束管的真空度小于10-2Pa，液态铅铋合金受重力作用自由下落，从散裂靶出口自由流出，液态金属在散裂靶区形成稳定的自由液面；
S7：质子束真空管上方安装激光测距仪，垂直向下照射液态金属自由液面，获得液面的相对高度；
S8：出口段的半圆环叠片采用传动机构向两侧横向移动，根据S7中获得的自由液面实时测量高度值与理想值之差作为控制信号，驱动出口段半圆环叠片移动，改变散裂靶出口半径大小，从而使液态铅铋的自由液面稳定地控制在质子束真空出口位置；
S9：单个叠片的厚度越薄，出口段需要的叠片数量就越多，自由液面的高度控制越精准。散裂靶出口半径的变化曲率越小，叠片调节的灵敏度就越高，单个叠片的厚度和最小出口半径可根据需要进行定制设计。
S5中描述出口圆环叠片可以对半拆分，对称的半圆环可以向两侧横向移动，出口段最底下的圆环半径决定了散裂靶出口的半径。
S8中单个出口叠片的厚度H7可以根据需要定制，在出口段总高度H6一定的情况下，单个叠片厚度越小，叠片的数量越多，自由液面可调节的高度范围就更加精准。
在入口质量流率一定的情况下，散裂靶出口半径的大小决定了液态金属在散裂靶区形成自由液面的高度，由于出口半径可以通过移动出口段的半圆环叠片来调节，从而实现对自由液面高度的自由控制。其优点在于出口半径可调节，这种出口半径可调的无窗散裂靶结构无论在科学实验系统还是在的散裂靶堆应用中，都可以节省大量定制不同结构模型所需的时间和经费，在实际应用中将有很高的实际应用价值。
本发明中描述的散裂靶结构尺寸参数并不唯一固定，可以根据需要进行修改，同时该无窗靶结构设计也适用于无窗靶的实验模型中，循环系统的流体不仅限于液态铅铋合金，对于其它流体工质同样适用。
对使用出口半径可调的方式来控制自由液面的高度的方法进行了理论分析和数值模拟。数值模拟的结果与理论分析结果相一致，验证了本发明方法的正确性和有效性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改(例如，出口段的高度，出口半径变化函数关系式，单个出口叠片的厚度等)，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤101、根据科学实验模型或ADS系统散裂靶的结构尺寸设置无窗靶入口段的结构尺寸和运行参数；
步骤102、设置出口段的高度和叠片的数量，以及出口半径变化的曲线函数；
步骤103、液态铅铋合金从入口流入在散裂靶区形成自由液面；
步骤104、使用激光测距机获取自由液面的相对高度；
步骤105、使用传动机构控制出口叠片的横向移动，调节出口半径的大小，当自由液面高度高于理想状态的高度时，移动叠片扩大出口半径，当自由液面的高度低于理想状态下的高度时，移动叠片缩小出口半径；
步骤106、实时观测自由液面的高度，对叠片的移动进行微调，使液态铅铋的自由液面保持在理想高度；
具体步骤如下：
S1：设置无窗靶的质子束真空管内径D6＝200mm，外径为D5＝210mm，壁厚d1＝(D5-D6)/2＝5mm，高度H1＝350mm，束管末端三角形倒角，无窗靶结构材料为T91钢或其它许用材料；
S2：设置环形同心管内径D2＝320mm，外径D1＝332mm，壁厚d2＝(D1-D2)/2＝6mm，环形同心管末端束口，缩口直径D8＝200mm，束口管的高度H2＝218mm；
S3：设置环形同心管中间的导流板内径D4＝260mm，外径D3＝265mm，壁厚d3＝(D3-D4)/2＝2.5mm，导流板出口的束口直径D7与质子束管直径D6相同，束口的高度H3＝89mm；
S4：设置散裂靶区圆管内径D8＝200mm，壁厚为6mm，散裂靶区高度H5＝800mm；
S5：设置散裂靶区总出口高度H6＝240mm，出口半径圆弧过渡，由对半拆分的半圆环叠片组成，叠片数量为10个，单个叠片厚度24mm，每个圆环的内外直径光滑过渡，最小出口直径D9＝92mm；
S6：环形同心管为液态铅铋合金入口，散裂靶竖直放置，质子束管的真空度小于10-2Pa，液态铅铋合金受重力作用自由下落，从散裂靶出口自由流出，液态金属在散裂靶区形成稳定的自由液面；
S7：质子束真空管上方安装激光测距仪，垂直向下照射液态金属自由液面，获得液面的相对高度；
S8：出口段的半圆环叠片采用传动机构向两侧横向移动，根据S7中获得的自由液面实时测量高度值与理想值之差作为控制信号，驱动出口段半圆环叠片移动，改变散裂靶出口半径大小，从而使液态铅铋的自由液面稳定地控制在质子束真空出口位置；
其中，S5中描述出口圆环叠片对半拆分，对称的半圆环向两侧横向左右移动，出口段最底下的圆环半径决定了散裂靶出口的半径。
2.一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶，其特征在于：该无窗散裂靶是由权利要求1所述的出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法设计加工的。
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