CN109257864A - 一种上旋式液态金属无窗散裂靶构件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于加速器驱动次临界系统的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，包括内导流管、起旋叶轮、导流叶片、外导流管及束流管，所述起旋叶轮固定于所述内导流管的内壁，所述导流叶片固定于所述内导流管的上端，所述外导流管套设于所述内导流管及导流叶片的外侧，所述束流管设置于所述内导流管的上方并与所述外导流管固定连接，所述内导流管包括流通段及排出段，所述排出段包括缩口段及扩口段。本发明通过结构优化设计，改善了靶件内部流场分布，极大地减小了自由液面区域的回流滞止区，从而增强了散裂靶件的热输运能力。
Description
技术领域
本发明涉及处理核废料的加速器驱动次临界嬗变系统，更具体地说，涉及一种上旋式液态金属无窗散裂靶构件。
背景技术
加速器驱动次临界嬗变系统(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)是目前国际公认的最安全有效的核废料处置技术方案。ADS使用加速器提供的强流质子束轰击重金属靶，产生的高能散裂中子驱动并维持次临界反应堆的运行，用来嬗变高放射性长寿命核素，达到增殖利用的目的。ADS主要包括加速器、散裂靶及反应堆三个部分，其中，散裂靶是实现“加速器-反应堆”耦合的关键部件，决定着整体系统的功率水平，对系统整体的性能及安全有着举足轻重的作用。
散裂靶根据其物质形态主要分为固态散裂靶及液态散裂靶两类，其中，液态散裂靶又分为液态有窗散裂靶和液态无窗散裂靶两种。近年来，液态金属无窗散裂靶越来越得到核科学专家的青睐，它的独特性在于，液态金属既作为发生散裂反应的靶材料，又作为传输沉积热量的冷却介质。液态金属无窗散裂靶通过形成稳定的自由液面来维持加速器内部的高真空状态，保证束流有效传输并通过自由液面直接加载到液态金属流体中发生散裂反应。
根据自由液面形成方式，液态无窗散裂靶有多种类型，上旋靶是其中一种。该靶件竖直安装在反应堆内的燃料组件中央，液态金属从靶件底部由下向上流入，经过叶轮后变为螺旋流动，在壁面约束下边旋转边上升，当壁面约束解除后向外喷散而形成自由液面。然而，上旋靶在形成自由液面的过程中，由于中心区域的流体流速较小，在自由液面中心处容易形成滞留，从而产生回流滞止区，进而影响散裂靶中束流沉积热量的导出，对靶件的正常工作造成威胁。
发明内容
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种上旋式液态金属无窗散裂靶构件。
本发明提供一种上旋式液态金属无窗散裂靶构件，包括内导流管、起旋叶轮、导流叶片、外导流管及束流管，所述起旋叶轮固定于所述内导流管的内壁，所述导流叶片固定于所述内导流管的上端，所述外导流管套设于所述内导流管及导流叶片的外侧，所述束流管设置于所述内导流管的上方并与所述外导流管固定连接，所述内导流管包括流通段及排出段，所述排出段包括缩口段及扩口段。
根据一些实施方式，所述缩口段为按圆弧状连续缩小的渐缩管道，所述扩口段为按圆弧状连续扩大的渐扩管道。
根据一些实施方式，所述缩口段的最小内径处直径为所述流通段的内径的0.7-0.9倍，所述扩口段的最大内径处直径为所述流通段的内径的1.1-1.5倍。
根据一些实施方式，所述起旋叶轮包括中轴及沿所述中轴圆周方向均匀分布的叶片，所述中轴的外径为所述内导流管的流通段的内径的1/5，所述中轴的长度为其外径的10-15倍。
根据一些实施方式，所述中轴为圆柱形，其两端为具有椭圆形光滑过渡的尖端。
根据一些实施方式，所述叶片为螺旋形叶片，包括与轴向平行部分、沿螺旋线倾斜部分以及中间光滑过渡部分。
根据一些实施方式，所述叶片两侧相对于中心轴线的夹角为100-140度。
根据一些实施方式，所述导流叶片为月牙形状，其两侧相对于中心轴线的夹角为15-60度。
根据一些实施方式，所述外导流管的主体部分为圆管状，所述外导流管的主体部分的内径为所述内导流管的流通段的内径的1.5-3倍。
根据一些实施方式，所述内导流管的流通段的长度可根据实际应用中质子束流的入射深度而调整。
本发明提供的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，具有以下有益效果：
1、内导流管的排出段采用缩口再扩口的方式，使得流经的液态金属首先受缩口段壁面约束作用而加快流动速度，而后经扩口段时由于失去壁面约束而迅速沿扩口圆弧形壁面切平面方向喷散，从而加快了中心区域的流速，避免在自由液面处形成滞留，可以有效减小回流滞止区，进而确保散裂靶中束流沉积热量的顺利导出，避免对靶件的正常工作造成威胁。
2、内导流管的外侧使用导流叶片，使喷散的液态金属沿特定方向流动，避免直接冲击到外导流管的内壁上，导流叶片安装在内导流管排出段外侧，对上旋流的影响小，同时这种结构设计极大地减小了内导流管与外导流管之间的间距，使靶件结构更紧凑，可有效提高散裂中子利用率。
附图说明
图1是本发明实施例的上旋式液态金属无窗散裂靶构件的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的上旋式液态金属无窗散裂靶构件的内导流管的结构示意图；
图3是本发明实施例的上旋式液态金属无窗散裂靶构件的起旋叶轮的结构示意图；
图4是本发明实施例的上旋式液态金属无窗散裂靶构件的导流叶片的结构示意图；
图5是图4的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例的上旋式液态金属无窗散裂靶构件100包括内导流管10、起旋叶轮20、导流叶片30、外导流管40及束流管50。起旋叶轮20固定于内导流管10的内壁，导流叶片30固定于内导流管10的上端，外导流管40套设于内导流管10及导流叶片30的外侧，束流管50设置于内导流管10的上方并与外导流管40固定连接。
图1中单线箭头为液态金属流动方向，双线箭头为质子束流运动方向。
请一并参阅图1及图2，内导流管10包括流通段11及排出段12。流通段11包括入口段13及上旋段14。入口段13下端设有入口132，入口段13上端固设起旋叶轮20。流通段11为圆管状，流通段11的内径为D1。流通段11的长度可根据实际应用中质子束流的入射深度而调整。可以理解，不同能量的质子束流在液态金属中的入射深度不同，可事先根据束流条件计算出入射深度，再确定流通段11的长度。质子束流在液态金属中的入射深度越大，流通段11的长度越长。排出段12包括缩口段15及扩口段16。缩口段15为按圆弧状连续缩小的渐缩管道。缩口段15的最小内径处直径D2为流通段11的内径D1的0.7-0.9倍。本实施例中，缩口段15的最小内径处直径D2为流通段11的内径D1的0.8倍。扩口段16为按圆弧状连续扩大的渐扩管道。扩口段16的最大内径处直径D3为流通段11的内径D1的1.1-1.5倍。本实施例中，扩口段16的最大内径处直径D3为流通段11的内径D1的1.2倍。扩口段16上端设有出口162。
本实施例中，液态金属从内导流管10的入口132流入，经入口段13向上并通过起旋叶轮20，受起旋叶轮20作用于上旋段14呈螺旋式上行并进入排出段12，在流经排出段12过程中，液态金属首先受缩口段15壁面约束作用而加快流动速度，而后经扩口段16时由于失去壁面约束而迅速沿扩口圆弧形壁面切平面方向喷散，从而在排出段12中心区域形成一个下凹的自由液面17，最后液态金属由内导流管10的出口162流出。
请一并参阅图1及图3，起旋叶轮20固定于内导流管10的入口段13上端处的内壁，当液态金属流经起旋叶轮20时，受起旋叶轮20作用而呈螺旋式上行。起旋叶轮20包括中轴21及沿中轴21圆周方向均匀分布的叶片22。中轴21为圆柱形，中轴21的外径为内导流管10的流通段11的内径D1的1/5，中轴21的长度为其外径的10-15倍。中轴21的两端为具有椭圆形光滑过渡的尖端，以减小对流体流动的影响。叶片22为沿中轴21的轴向方向延伸的螺旋形叶片。叶片22的结构分为三个部分，即与轴向平行部分222、沿螺旋线倾斜部分224以及中间光滑过渡部分226。叶片22两侧相对于中心轴线的夹角α为100-140度。本实施例中，α为130度。本实施例中，叶片22的数量为6片，可以理解，叶片22的数量也可以为其他数值，例如4片、8片、10片等。
请一并参阅图1、图4及图5，导流叶片30固定于内导流管10的上端出口162的外侧。本实施例中，导流叶片30为多个且沿内导流管10的圆周方向均匀分布。导流叶片30为月牙形状，其两侧相对于中心轴线的夹角β为15-60度。本实施例中，β为30度。液态金属由内导流管10的出口162流出后在流经导流叶片30时可改变流向，以减少流体撞击外导流管40的内壁的情况，从而避免流体折返回自由液面17的上方，进而保证流体经导流后向下流动并稳定排出。导流叶片30与外导流管40的内壁之间具有间隙，可以使得下行液态金属比较流畅地通过并流出，从而减少对上游流体的影响。
可以理解，通过在内导流管10的出口设置导流叶片30，使得喷散的液态金属沿特定方向流动，避免直接冲击到外导流管40的内壁上，导流叶片30安装在内导流管10的排出段12的外侧，对上旋流的影响小，同时这种结构设计极大地减小了内导流管10与外导流管40之间的间距，使靶件结构更紧凑，可有效提高散裂中子利用率。
如图1所示，外导流管40套设于内导流管10及导流叶片30的外侧，并与内导流管10同轴固定。外导流管40的主体部分为圆管状，上端为小口径接口，外导流管40的上端通过法兰与束流管50连接。外导流管40的主体部分的内径D4为内导流管10的流通段11的内径D1的1.5-3倍。
如图1所示，束流管50设置于内导流管10的上方并与外导流管40同轴固定。束流管50为圆管状。质子束流从束流管50进入，并于自由液面17处加载到液态金属中，最终的流体从内导流管10与外导流管40之间的间隙中流出。
本发明实施例的上旋式液态金属无窗散裂靶构件100，由于内导流管10的排出段12采用缩口再扩口的方式，使得流经的液态金属首先受缩口段15壁面约束作用而加快流动速度，而后经扩口段16时由于失去壁面约束而迅速沿扩口圆弧形壁面切平面方向喷散，从而加快了中心区域的流速，避免在自由液面处形成滞留，可以有效减小回流滞止区，进而确保散裂靶中束流沉积热量的顺利导出，避免对靶件的正常工作造成威胁。而且，内导流管10的出口设置导流叶片30，使喷散的液态金属沿特定方向流动，避免直接冲击到外导流管40的内壁上，导流叶片30安装在内导流管10的排出段12的外侧，对上旋流的影响小，同时这种结构设计极大地减小了内导流管10与外导流管40之间的间距，使靶件结构更紧凑，可有效提高散裂中子利用率。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，包括内导流管、起旋叶轮、导流叶片、外导流管及束流管，所述起旋叶轮固定于所述内导流管的内壁，所述导流叶片固定于所述内导流管的上端，所述外导流管套设于所述内导流管及导流叶片的外侧，所述束流管设置于所述内导流管的上方并与所述外导流管固定连接，所述内导流管包括流通段及排出段，所述排出段包括缩口段及扩口段。
2.根据权利要求1所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述缩口段为按圆弧状连续缩小的渐缩管道，所述扩口段为按圆弧状连续扩大的渐扩管道。
3.根据权利要求2所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述缩口段的最小内径处直径为所述流通段的内径的0.7-0.9倍，所述扩口段的最大内径处直径为所述流通段的内径的1.1-1.5倍。
4.根据权利要求1所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述起旋叶轮包括中轴及沿所述中轴圆周方向均匀分布的叶片，所述中轴的外径为所述内导流管的流通段的内径的1/5，所述中轴的长度为其外径的10-15倍。
5.根据权利要求4所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述中轴为圆柱形，其两端为具有椭圆形光滑过渡的尖端。
6.根据权利要求4所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述叶片为螺旋形叶片，包括与轴向平行部分、沿螺旋线倾斜部分以及中间光滑过渡部分。
7.根据权利要求6所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述叶片两侧相对于中心轴线的夹角为100-140度。
8.根据权利要求1所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述导流叶片为月牙形状，其两侧相对于中心轴线的夹角为15-60度。
9.根据权利要求1所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述外导流管的主体部分为圆管状，所述外导流管的主体部分的内径为所述内导流管的流通段的内径的1.5-3倍。
10.根据权利要求1所述的上旋式液态金属无窗散裂靶构件，其特征在于，所述内导流管的流通段的长度可根据实际应用中质子束流的入射深度而调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |