颗粒流散裂靶缩比模型流态实验研究

颗粒流散裂靶缩比模型流态实验研究

刘洋;强成文;李龙;王飞;杨伟峰;赵强;张雪荧

【摘要】The granular spallation target has been raised through theoretical calculation , which is the crucial part of accelerator driven sub‐critical system (ADS) .It is important to study the flow inside the spallation target before optimizing design .The experiments were carried out in a three‐dimensional channel with a screw conveyor as granular drive . The jam‐to‐dense transition of granular flow was studied with different inclination angles .The variation of flow rate with elevate frequency was further studied .The flow pattern is changed from dilute flow to dense flow with increase of elevate frequency . T he stable dense flow exists in main target section .%散裂靶是加速器驱动次临界系统（ADS）的重要组成部分，颗粒流散裂靶是最新提出并经理论计算的一种高功率散裂靶，研究其颗粒流的流动特性对散裂靶的设计优化有重要意义。本文以螺旋提升机为颗粒流驱动装置，搭建一套颗粒流循环回路系统，研究了倾斜段管道的倾斜角度对三维颗粒流从堵塞流向密集流转变的影响。研究发现，随着螺旋提升机提升频率的增加（即颗粒流量的增加），在散裂靶靶区存在颗粒稀疏流‐密集流转变，在靶区附近能形成稳定的密集流。

【期刊名称】《原子能科学技术》

【年(卷),期】2016(050)010

【总页数】6页(P1881-1886)

【关键词】颗粒流;ADS;螺旋提升机;密集流

【作者】刘洋;强成文;李龙;王飞;杨伟峰;赵强;张雪荧

【作者单位】中国科学院大学，北京 100049; 中国科学院近代物理研究所，甘肃

兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物

理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中

国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃

兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000

【正文语种】中文

【中图分类】TL375

加速器驱动次临界系统(ADS)是目前国际公认的最安全有效的核废料处理技术方案之一，它包括质子加速器、重金属散裂靶及次临界反应堆3个部分。中国科学院

已开展“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”战略性先导科技专项的研究[1]。散裂靶是ADS系统的重要部件，作为加速器和次临界反应堆的耦合系统，散裂靶工作在高压、高温及高辐射环境中，并在束流打靶产生高通量中子的同时有极高的热量沉积。重金属散裂靶通常采用铅铋等液态金属作为冷却剂将束流沉积能量移出散裂靶外，是目前众多设计方案中经工程验证的方案。但液态铅铋回路的测控和操作难度很大，相应的测量技术还不是很成熟[2-3]，且考虑到散裂靶的寿命等因素，中国科学院近代物理研究所提出了新型流态固体颗粒靶。颗粒流散裂靶以小直径的固体钨合金颗粒代替传统的铅铋等液态金属，在重力诱导下进行连续流动，在耦合质子束产生中子的同时作为冷却介质将束流沉积的热量带出靶区，常用的液态金属无窗散裂靶会在模拟束流管道附近形成一涡流滞止区，形成不稳定性的自由液界面[3-4]。而液态金属有窗靶在模拟束流管道底部存在一半球形的靶窗，由于靶窗材

料的限制，很难提高散裂靶的功率，液态金属过快的流动会加剧靶窗材料的腐蚀，

因此有窗靶既限制了散裂靶的功率也限制了液态金属的流速。密集流颗粒流与液态金属流相比少了对材料的腐蚀，且流动过程中不会出现涡流滞止区、二次流等区域，也无普通液态金属造成的回流、飞溅等流动特性。因此，研究管道内颗粒的流动情况对散裂靶的靶段设计有极重要意义。目前对颗粒物质流动的了解相当有限，对颗粒物质的研究有一定尺寸限制范围，界定研究对象为尺寸>1 μm的大量离散细小

固体颗粒相互作用组成的复杂系统，其布朗运动可忽略，但内部个体单元的受力和运动依然符合牛顿运动定律。由于其宏观尺寸、离散态、耗散性等特性使得其在流动过程中经常表现出复杂的非线性动力学特性，如稀疏流、密集流、混合流等独特的现象，是当前物理学新兴的课题之一[5-9]。

对通道中的颗粒流而言，按其不同的形态通常可分为3种状态，即稀疏流、密集

流和堵塞流状态。通道中的颗粒流在一定的条件下会发生不同形态之间的转变，对于颗粒流的这3种状态之间的转变已开始研究。Hou等[6]对二维通道内颗粒流的稀疏流-密集流的转变特性进行了系统的研究，并建立了一包括颗粒尺寸、出口尺

寸和出口流量的标定关系。鲍德松等[10-12]研究了边界条件、通道宽度和开口尺

寸等对二维稀疏流到密集流转变的影响。本文主要研究通道中球形颗粒在以倾斜螺旋提升机为驱动装置搭建的提升回路系统中，随着螺旋提升机提升流量不同引起的颗粒流稀疏流向密集流的转变，并研究不同管道的出口尺寸及倾斜角度对颗粒流从密集流到堵塞流状态转变的影响。

图1为以螺旋提升机为驱动装置搭建的提升回路系统装置图，上升段由电机功率

为5.5 kW、管径为159 mm的螺旋提升机组成。该提升机与地面呈60°夹角，由变频器控制，频率0～50 Hz可连续调节。在该提升机出口段有一直径300 mm、体积0.15 m3的缓冲箱，防止物料堆积影响提升机的提升流量和下行管道的流动

状态。在该提升机进口段由一体积为0.216 m3的储料箱保证进入提升机提升时有足够多的物料来填充，消除物料对提升机运行时提升流量的影响。图1箭头方向