CN110906773B - 散裂靶及其换热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散裂靶以及用于靶体的换热方法，所述散裂靶包括：具有多孔结构的靶体(1)，所述靶体(1)用于接受束流照射；具有保温功能的容纳部(2)，所述容纳部(2)具有密闭腔体(3)，所述靶体(1)设于所述密闭腔体(3)内；以及换热工质(4)，设于所述密闭腔体(3)内，所述靶体(1)部分地浸没在所述换热工质(4)中；其中，所述换热工质(4)能够沿所述多孔结构扩散，以充满所述靶体(1)的孔隙；所述孔隙内的换热工质(4)在束流照射靶体(1)的过程中受热变为蒸汽，所述蒸汽与所述容纳部(2)的内壁接触被冷却为液态，流回所述换热工质(4)中。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及核工程领域，特别涉及一种散裂靶及其换热方法。
背景技术
散裂靶可以作为一种高效的中子源和中微子源应用于从基础研究到尖端应用的不同领域。在使用时，加速器等装置产生的束流作用于散裂靶的靶体从而发生核反应，可以获得自然界中难以获取的粒子流或核素产物。在核反应过程中，束流的能量在靶体内转化为热能，导致靶体温度持续升高，因此需要对靶体进行冷却。
现有技术一般采用单相工质对靶体进行换热，即在换热过程中，工质保持为液态或气态的单相形式。然而，单相工质的传热效率限定了散裂靶的功率，单相工质传热过程对驱动装置等外援设备的依赖较大，使得整体结构较为复杂。
因此，有必要研究一种高功率、结构简单的散裂靶。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种散裂靶及其换热方法，以解决上述技术问题中的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提出一种散裂靶，包括：具有多孔结构的靶体，所述靶体用于接受束流照射；具有保温功能的容纳部，所述容纳部具有密闭腔体，所述靶体设于所述密闭腔体内；以及换热工质，设于所述密闭腔体内，所述靶体部分地浸没在所述换热工质中；其中，所述换热工质能够沿所述多孔结构扩散，以充满所述靶体的孔隙；所述孔隙内的换热工质在束流照射靶体的过程中受热变为蒸汽，所述蒸汽与所述容纳部的内壁接触被冷却为液态，流回所述密闭腔体的底部。
根据一些实施方式，所述容纳部包括本体和设于所述本体外壁的保温部。
根据一些实施方式，所述靶体的材料根据以下因素中的一个或多个确定：所述换热工质的种类、所述换热工质对所述靶体的浸润角大小、所述束流的功率大小。
根据一些实施方式，所述靶体的结构根据以下因素中的一个或多个确定：所述换热工质在所述靶体内的扩散速度大小、所述束流的功率大小、所述靶体的尺寸、所述换热工质的热属性。
根据一些实施方式，所述多孔结构的孔隙率为40%~80%。
根据一些实施方式，所述容纳部将所述换热工质的温度保持在接近所述换热工质的饱和温度。
根据一些实施方式，所述换热工质选自以下种类中的一种：水、液态铅、液态铋、液态钠钾合金。
根据一些实施方式，所述靶体的材料为高熔点金属或不锈钢。
根据本发明的另一方面，提出一种应用于上述散裂靶的换热方法，包括：步骤S1，使得换热工质沿所述靶体的多孔结构扩散，以充满所述靶体的孔隙；步骤S2，利用容纳部的内壁将所述换热工质在束流照射靶体的过程中受热形成的蒸汽冷却为液态，并使其流回密闭腔体的底部；重复以上步骤S1和步骤S2。
根据一些实施方式，所述方法还包括：利用所述容纳部将所述换热工质的温度保持在接近所述换热工质的饱和温度。
在根据本发明的实施例的散裂靶中，通过将靶体设置为多孔结构，使得换热工质能够在毛细作用下沿所述多孔结构扩散，以充满所述靶体的孔隙，并与靶体换热变为蒸汽；通过设置具有保温功能的容纳部，使得所述蒸汽与所述容纳部的内壁接触后被冷却为液态流回密闭腔体的底部，从而基于换热工质的相变过程能够实现换热工质的传热以及循环利用，换热效率高，有利于提高散裂靶功率。并且，换热工质依靠毛细作用可以实现自驱动流动，无需设置外源驱动设备，整个装置的结构简单。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的散裂靶的示意图；以及
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的应用于散裂靶的换热方法的流程图。
实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的散裂靶100的示意图。如图1所示，散裂靶100包括：具有多孔结构的靶体1，靶体1用于接受束流照射；具有保温功能的容纳部2，容纳部2具有密闭腔体3，靶体1设于密闭腔体3内；以及换热工质4，设于密闭腔体3内，靶体1部分地浸没在换热工质4中；其中，换热工质4能够沿所述多孔结构扩散，以充满靶体1的孔隙；孔隙内的换热工质4在束流照射靶体1的过程中受热变为蒸汽，蒸汽与容纳部2的内壁接触被冷却为液态，流回密闭腔体3的底部。
在根据本发明的实施例的散裂靶100中，通过将靶体1设置为多孔结构，使得换热工质4能够在毛细作用下沿所述多孔结构扩散，以充满靶体1的孔隙，并与靶体1换热变为蒸汽；通过设置具有保温功能的容纳部2，使得所述蒸汽与容纳部2的内壁接触后被冷却为液态流回密闭腔体3的底部，从而基于换热工质4的两相变化能够实现换热工质4的传热过程以及循环利用，换热效率高，有利于提高散裂靶功率。并且，换热工质4依靠毛细作用可以实现自驱动流动，无需设置外源驱动设备，整个装置的结构简单。
容纳部2可以是空心的立方体结构或圆柱体结构，靶体1可以连接至容纳部2的上部，并且靶体1与容纳部2的底部之间可以留有间隙。换热工质4可以承载于容纳部2的底部，填充所述间隙，并能够浸没靶体1的一部分。由此，在毛细作用下，换热工质4可以沿靶体1向上提升，以充满靶体1的孔隙。当束流作用于靶体1时，靶体1内产生大量热量，所述孔隙内的换热工质4受热达到沸点变为蒸汽，在换热工质4的液-汽转化过程中，能够吸收靶体1的热量。靶体1的多孔结构使得其具有大量孔隙，从而增大了换热工质4与靶体1的接触面积和接触范围，保证换热充分进行。所述蒸汽从靶体1的孔隙向外扩散之后，位于容纳部2底部的换热工质4可以自动提升以继续填充所述孔隙，由此使得换热工质4与靶体1的换热过程能够源源不断地进行。靶体1的竖直中心线可以与容纳部2的竖直中心线重合，使得在靶体1的周围形成均匀的蒸汽流动通道，保证换热的均匀性。
大量蒸汽积聚于容纳部2的密闭腔体3的上部，蒸汽压力大，而密闭腔体3的底部压力小，因此蒸汽在压力差的作用下向下流动，流动过程中与容纳部2的内壁接触，被冷却为液态，流回密闭腔体3的底部，从而换热工质4能够循环利用。
参照图1，容纳部2可以包括本体21和设于本体21外壁的保温部22。本体21用于提供密闭腔体3，以容纳靶体1，并封闭和储存换热工质4。本体21可以具有良好的承压性和耐温性能。保温部22用于实现容纳部2的保温功能，使得保温部22自身以及与之接触的换热工质4保持在一定温度范围内，从而保温部22的内壁可以将蒸汽冷却至沸腾前的状态。当然，在其他实施例中，也可以直接利用具有良好保温性能和耐压性的材料制成具有一定壁厚的结构作为容纳部2。
在一个实施例中，容纳部2可以设置为将换热工质4的温度保持在接近换热工质4的饱和温度。饱和温度是指液体和蒸汽处于动态平衡状态，由于换热工质4的温度接近饱和温度，能够加快换热工质4的液-汽转化过程，从而提高换热效率。
换热工质4可以选用高导热率、低熔点的材料，由此能够改善换热效果，并且保证换热工质4在常温下为液体状态。例如，换热工质4可以选自以下种类中的一种：水、液态铅、液态铋、液态钠钾合金。
靶体1的材料可以根据以下因素中的一个或多个确定：换热工质4的种类、换热工质4对靶体1的浸润角大小、束流的功率大小。
换热工质4对靶体1的浸润角大小决定了换热工质4相对于靶体1的表面张力大小，影响到毛细作用的效果。靶体1的材料可以为高熔点金属或不锈钢。对于束流功率较高的工况，靶体1可以选用金属钨、金属钽等高熔点材料；对于束流功率较低的工况，靶体1可以选用不锈钢等材料。靶体1所用材料的熔点温度应高于换热工质4的沸腾温度。
靶体1的结构可以根据以下因素中的一个或多个确定：换热工质4在靶体1内的扩散速度大小、束流的功率大小、靶体1的尺寸、换热工质4的热属性。靶体1的结构可以包括多孔结构的孔隙率、孔隙大小等决定因素。孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。在本发明的实施例中，所述多孔结构的孔隙率可以为40%~80%。可以根据散裂靶的功率要求、换热工质4的性质来确定孔隙率以及孔隙等效尺寸。
特定的靶体1对应于特定的换热工质4，即可以根据对换热工质4的选择来确定靶体1的具体材料和结构。因此可以根据具体需求来选择换热工质的种类，并据此设计靶体1的多孔结构，从而本发明的散裂靶100使用灵活、方便，适应性强。
散裂靶100在使用时可以竖直放置也可以倾斜放置。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的应用于散裂靶的换热方法的流程图。如图2所示，所述应用于散裂靶的换热方法包括：
步骤S1，使得换热工质4沿靶体1的多孔结构扩散，以充满靶体1的孔隙；
步骤S2，利用容纳部2的内壁将换热工质4在束流照射靶体1的过程中受热形成的蒸汽冷却为液态，并使其流回密闭腔体3的底部；
重复以上步骤S1和步骤S2，即换热工质4不断提升至靶体1的孔隙，并在所述孔隙内受热变为蒸汽，所述蒸汽冷凝后回流至密闭腔体3的底部，被再次提升至靶体1，如此往复循环。
所述方法还可以包括：
利用容纳部2将换热工质4的温度保持在接近换热工质4的饱和温度。
散裂靶100开始工作时，容纳部2可以对密闭腔体3内的换热工质4进行保温，使其呈液体状态并维持在接近饱和温度的温度范围；同时，换热工质4在毛细作用下沿靶体1的多孔结构扩散，并充满靶体1的孔隙。当束流照射到靶体1上发生核反应时，靶体1内产生大量热量，此时位于靶体1的孔隙内的换热工质4受热沸腾变为蒸汽扩散，蒸汽接触到容纳部2的内壁后被冷却为液态流回密闭腔体3的底部，同时靶体1的孔隙内也重新充满新的换热工质4，发生新的相变过程，如此持续进行，直至散裂靶100结束工作，靶体1的热量被耗散为止。
根据以上描述，本发明的散裂靶和应用于散裂靶的换热方法至少能够实现以下技术效果：
（1）采用相变强化传热过程，换热效率高，为高功率散裂靶的设计提供了可能；
（2）能够实现内部驱动循环，依靠多孔介质的毛细现象，可以达到自驱动流动，无需外源驱动设备，整个装置的结构简单、易于更换；
（3）可以根据具体需求来选择换热工质的种类，并据此设计靶体的多孔结构，使用灵活、适应性强。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (10)
1.一种散裂靶，包括：
具有多孔结构的靶体（1），所述靶体（1）用于接受束流照射；
具有保温功能的容纳部（2），所述容纳部（2）具有密闭腔体（3），所述靶体（1）设于所述密闭腔体（3）内，所述靶体（1）与所述容纳部（2）的底部之间留有间隙；以及
换热工质（4），设于所述密闭腔体（3）内，所述换热工质（4）填充所述间隙，所述靶体（1）部分地浸没在所述换热工质（4）中；
其中，所述换热工质（4）能够沿所述多孔结构扩散，以充满所述靶体（1）的孔隙；所述孔隙内的换热工质（4）在束流照射靶体（1）的过程中受热变为蒸汽，所述蒸汽与所述容纳部（2）的内壁接触被冷却为液态，流回所述密闭腔体（3）的底部。
2.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述容纳部（2）包括本体（21）和设于所述本体（21）外壁的保温部（22）。
3.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述靶体（1）的材料根据以下因素中的一个或多个确定：所述换热工质（4）的种类、所述换热工质（4）对所述靶体（1）的浸润角大小、所述束流的功率大小。
4.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述靶体（1）的结构根据以下因素中的一个或多个确定：所述换热工质（4）在所述靶体（1）内的扩散速度大小、所述束流的功率大小、所述靶体（1）的尺寸、所述换热工质（4）的热属性。
5.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述多孔结构的孔隙率为40%~80%。
6.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述容纳部（2）将所述换热工质（4）的温度保持在接近所述换热工质（4）的饱和温度。
7.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述换热工质（4）选自以下种类中的一种：水、液态铅、液态铋、液态钠钾合金。
8.根据权利要求1所述的散裂靶，其特征在于，所述靶体（1）的材料为高熔点金属或不锈钢。
9.一种应用于上述权利要求1至8中任一项所述散裂靶的换热方法，包括：
步骤S1，使得换热工质（4）沿所述靶体（1）的多孔结构扩散，以充满所述靶体（1）的孔隙；
步骤S2，利用容纳部（2）的内壁将所述换热工质（4）在束流照射靶体（1）的过程中受热形成的蒸汽冷却为液态，并使其流回密闭腔体（3）的底部；
重复以上步骤S1和步骤S2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
利用所述容纳部（2）将所述换热工质（4）的温度保持在接近所述换热工质（4）的饱和温度。
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