加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究

加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究
张尧立;崔鹏飞;肖思聪;杨永伟;周志伟
【摘要】散裂靶位于加速器驱动的次临界系统(ADS)的中心,为核嬗变提供所需的中子源.通过分析散裂靶的热工要求,选取铅铋合金(LBE)作为ADS的靶材料和冷却剂.使用MCNP程序计算质子束轰击靶区产生的能量沉积,并使用CFD程序FLUENT计算靶区热工特性.分析了不同设计参数及不同靶窗形状对ADS靶区温度分布和速度分布的影响,得到满足热工要求的可选方案.%The spallation target is located in the center of an accelerator driven sub-critical system (ADS), which produces neutron source for nuclear transmutation. Based on the analysis of the thermal-hydraulic demands for spallation target, lead-bismuth eutec-tic (LBE) was chosen as the spallation target and the coolant for the ADS. MCNP code was used to calculate the deposition heat in the spallation target, and the CFD code FLUENT was employed to calculate the thermal-hydraulic behavior in the spallation target zone. Different design parameters as well as different window shapes were analyzed in order to find their effects to the temperature distribution and velocity distribution, and the suitable design options were found to meet the thermal-hydraulic requirements.
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2012(046)005
【总页数】6页(P573-578)
【关键词】加速器驱动的次临界系统;散裂靶;热工水力
【作者】张尧立;崔鹏飞;肖思聪;杨永伟;周志伟
【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新
能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清
华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,
北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】TL411.1
加速器驱动的次临界系统（ADS）对核废料的嬗变及核能的可持续发展有着重要
意义，是未来清洁核能系统的重要组成部分。

目前，欧洲、美国、日本、印度、韩国等均对ADS进行了大量研究工作。

我国于1995年开始进行以ADS物理可行性和次临界堆芯物理特性为重点的研究工作，在加速器和散列靶等研究方向上均取得了重要进展。

热工水力是ADS开发和研究中的重要环节之一，是ADS设计与安全运行的保证。

现各国在ADS热工水力方面开展的研究，主要围绕产生嬗变中子源的散裂靶的冷却问题。

靶件周围流场和温度场非常复杂，靶窗的完整性将直接影响系统的正常运行和安全，因此，靶窗的冷却问题尤为重要。

ADS的靶窗设计分有窗和无窗两种。

本研究主要关注有窗设计的热工安全。

我国在ADS嬗变及散裂靶的研究尚处于概念设计阶段。

本工作以概念设计中的800MW加速器驱动的次临界系统为参考。

该系统要求从加速器射入次临界堆的
质子能量为1GeV，电流强度为5mA。

本研究采用上述质子条件对靶区进行设计
和计算，并对各种方案进行热工分析，寻找满足热工水力要求的可选方案。

1 ADS靶区设计
ADS靶区设计如图1所示。

质子束在真空管中自上向下发射，穿过靶窗，在散裂靶区与散裂靶发生散裂反应。

真空管直径20cm，管壁厚0．3cm，加速器质子束通道和冷却剂通过真空管分隔。

冷却剂自底部进入，从顶部流出，将热量从散裂靶区带走，保证靶窗和散裂靶区的温度不超过热工限值。

图1 ADS靶窗几何尺寸Fig．1 Design parameters of ADS spallation target 靶窗材料选择CLAM钢。

冷却剂材料选择铅铋合金（LBE）。

由于强流质子束轰击散裂靶后产生的高能粒子和散裂产物对材料具有损害作用，导致散裂靶承受着严重的辐照和机械应力。

基于靶的以上特点，LBE被选为冷却剂和靶材料。

表1列出几种液态重金属靶参数。

综合表1中材料的热物性、对中子的吸收能力和是否产生高放射性物质等因素，将LBE作为本工作的最佳靶材料［1］。

表1 几种液态重金属靶的参数Table 1 Parameters of liquid metal targets低沸点LBE 低熔点（396．5K），如果LBE作为冷却剂，具有较好的相容性铋吸收中子产生高放射性物质Po Pb 不产生高放射性物质Po，且Pb的吸收截面小（Σa＝0．006cm－1）熔点高（600．5K），如入射质子束中断和停堆，会缺点Hg 汞在常温下是液体，在反应堆运行前不需要加热系统，不产生高放射性物质Po靶优点高的中子吸收截面（Σa＝15．5cm－1，以0．025 3eV作为参考，下同），高挥发性，由于靶固化产生危险
靶窗受到由质子束和中子引起的辐照损伤，铅铋合金对靶窗的腐蚀也会损伤靶窗，影响靶窗的性能。

因此，在对靶区进行设计时，必须综合考虑各种因素，使靶窗能够正常运行至少1个换料周期。

由于辐射损伤和铅铋合金对靶窗的腐蚀数据暂缺，因此本文对于靶区的设计和分析只在热工水力要求的范围内，即通过合理设计，将靶窗和冷却剂的最高温度及冷却
剂的最大流速限定在一定的范围内，以满足ADS靶区正常运行。

由于未考虑辐照损伤和腐蚀，满足该热工水力准则的设计需进行更深入的研究，使其能承受辐照损伤和腐蚀，至少正常运行1个换料周期，才能真正应用于ADS。

2 热源计算
当加速器加速的高能质子轰击散裂靶时，质子与重靶核发生散裂反应，1个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，同时生成沉积热。

质子轰击到靶窗上也会发生散裂反应，并在靶窗上生成沉积热。

使用MCNPX程序计算ADS散裂靶热源。

参考文献［2］，质子束分布轮廓采用归一化的分布函数：
式中：φ为质子注量率；I0为电流强度；r0为质子束的半径；r为半径方向上的长度。

质子能量为1GeV，电流为5mA，质子束分布轮廓半径设为8cm，计算网格为正则网格，网格大小为0．5cm。

经计算，靶区能量密度分布如图2所示，颜色越明亮表示功率密度越高，黑色弧形部分为靶窗，弧形部分上方为真空管，下方为散裂区。

靶窗能量密度分布如图3所示。

图2 靶区能量密度分布Fig．2 Contours of energy density
图3 靶窗能量密度分布Fig．3 Energy density distribution of window
3 热工水力计算
在靶区发生散裂反应后，须通过冷却剂有效地将靶区的沉积热带走，保证靶窗和靶区温度不超过限值。

靶区附近的流场和温度场十分复杂，使用CFD计算程序FLUENT对靶区进行建模计算。

由于靶区是一对称结构，因此采用二维建模，并取一侧作为计算域以减少计算量。

由于未考虑腐蚀和辐射的影响，在热工设计中，需考虑的最重要的参数为靶窗的最
高温度、冷却剂的最高温度和冷却剂的最大速度。

已有腐蚀数据显示，冷却剂速度应保持在低于几m／s量级，温度保持在小于773～873K［3］。

将热工设计的目标设定为：冷却剂最高温度不超过773K，冷却剂最大速度不超过2m／s，靶窗最高温度不超过873K。

表2列出设计准则和已定参数，表3列出计算使用的材料物性参数［4－5］（其中T 为温度）。

表2 设计准则和参数Table 2 Design criteria and parameters数值靶区几何尺
寸靶窗材料 CLAM钢参数和所用材料靶窗参数圆柱形真空管，靶窗形状待定散
裂靶材料铅铋合金散裂靶形状圆柱形设计参数真空管直径，cm 20靶窗厚度，mm 3质子束能量，GeV 1冷却剂入口流速待定冷却剂入口温度，K 600冷却剂
入口压力，MPa 0．1设计准则冷却剂温度，K ＜773冷却剂速度，m／s ＜2靶窗温度，K ＜873
使用MCNPX计算得到的能量分布作为体热源输入FLUENT程序。

由于Re＞105，因此在计算时选用湍流模型，近壁区域采用标准壁面函数。

在能量为1GeV、电流强度为5mA的质子束轰击下，当入口流速为1m／s、入口温度为600K、压力为0．1MPa时，计算得到靶窗最高温度为949．8K，冷却剂最高温度为844．8K，最大流速为1．50m／s。

由于驻点的存在，靶窗的最高温度出现在球面中心，冷
却剂的最高温度出现在与靶窗半球顶点相邻的流体网格上。

冷却剂最大流速出现在流道最为狭窄的拐弯区域。

温度和速度分布如图4所示。

表3 材料物性参数Table 3 Material data used for calculation数值铅铋合金密度，kg·m－3 11 096～1．323 6T参数比热容，J·kg－1·K－1 146．5热导率，W·m－1·K－1 7．03＋0．000 993T运动黏度，Pa·s η＝0．004 56－
7．033×10－6 T＋3．61×10－9 T2 CLAM钢（773K）密度，kg·m－3 7 800
比热容，J·kg－1·K－1 693热导率，W·m－1·K－1 28．4线膨胀系数，K－1 1．23×10－5
当增大入口流速时，可加强换热，从而降低最高温度。

当入口流速为1．3m／s 时，靶窗最高温度为903．3K，冷却剂最高温度为797．1K，靶区冷却剂最大流
速为1．95m／s。

计算结果比较接近设计要求，但靶窗和冷却剂最高温度高于限值。

当继续增大入口流速时，最大流速将会超过设计限值。

由于最大流速出现在流道最为狭窄的拐弯区域，因此可考虑加宽拐弯区域，降低最大流速，通过进一步增大入口流速的方法强化换热。

设计两种加宽拐弯区域的方案，两种方案计算结果列于表4。

图4 靶区温度和流场分布Fig．4 Contours of temperature and velocity magnitude
加宽流道能够降低冷却剂的最大流速，但由于速度降低减缓了靶窗中心位置附近的换热，从而导致靶窗和冷却剂的最高温度增大。

如方案1，冷却剂最大流速虽降低，但靶窗和冷却剂最高温度上升很多，即使将入口流速增大到1．8m／s，此时冷却剂最大流速达2．03m／s，超过了速度限值，也不能使设计满足要求。

方案2加
宽流道后冷却剂最大流速下降很大，而最高温度略有上升，方案2的靶窗最高温
度及冷却剂最高温度随入口流速的变化示于图5。

当冷却剂流速增大时，靶窗和冷却剂最高温度均会下降，但当入口流速达到1．8m／s时，冷却剂的最大流速为2．11m／s，超过设计值。

当方案2的入口流速设定为1．7m／s时，冷却剂最
大流速为1．99m／s，此时靶窗最高温度为869．4K，冷却剂最高温度为761．6K，均在设计范围内，满足设计要求。

因此，合理的流道设计能大幅改善靶区换热。

表4 改进方案计算结果对比Table 4 Comparison of results of different flow paths方案入口流速／（m·s－1）靶窗最高温度／K 冷却剂最高温度／K 冷却剂最高流速／（m·s－1）最初方案1．0 949．8 844．8 1．501．8 871．0 767．8 2．69方案1 1．0 1 004．4 903．3 1．141．8 891．4 789．4 2．03
方案2 1．0 955．6 848．9 1．171．8 862．1 757．2 2．11
图5 靶区最高温度与冷却剂入口流速的关系Fig．5 Relation of spallation
target temperature and velocity
为减小靶窗和冷却剂的最高温度，通过对靶区入口流道稍作改动，增加入口冷却剂湍流，以改善驻点附近的冷却。

在靶区入口流道上增加一半径为1cm的球形隆起，其结构如图6所示。

加入扰流后驻点附近区域换热得到改善，靶窗和冷却剂的最
高温度如图7所示，在相同的入口流速条件下，靶窗和冷却剂温度下降了约10K。

图6 流道入口改进示意图Fig．6 Improved inlet geometry
图7 加入扰流后靶窗和冷却剂最高温度与入口流速的关系Fig．7 Temperature variation after protuberance
除改进流道外，改进了靶窗的几何设计，从而改善靶窗球心驻点附近滞留区的流动状况，也能改善靶区的换热。

将靶窗的几何形状由球形改为椭球，并对流道作相应的改动，计算得到结果列于表5。

椭球靶窗附近温度、流速分布示于图8。

在入口流速均为1m／s情况下，椭球靶窗计算得到的靶窗最高温度和冷却剂最高
温度较球形靶窗分别低10．5K和7．3K，同时，冷却剂最大流速也低了0．35m ／s。

当椭球的入口流速增大到1．7m／s时，可保证靶窗和冷却剂的最高温度及
冷却剂的最大流速均在设计范围内。

表5 改进靶窗几何设计计算结果对比Table 5 Comparison of results of different window shapes靶窗几何入口流速／（m·s－1）靶窗最高温度／K 冷却剂最高温度／K 冷却剂最高流速／（m·s－1）1．0 949．8 844．8 1．501．3 903．3 797．1 1．95椭球 1．0 939．3 837．5 1．151．3 894．6 791．5 1．50圆球1．7 857．6 754．6 1．98
图8 椭球靶窗附近温度、流速分布Fig．8 Temperature and velocity distributions near window
4 结论
靶区热工水力研究是ADS最重要的研究项目之一。

在进行靶区设计时，考虑到材料温度限制及对靶窗腐蚀性的限制，要求靶窗设计温度最高不超过873K，冷却剂最高温度不超过773K，冷却剂最大流速不超过2m／s。

对于靶区流道的合理设计能够改善靶区换热，降低靶区的最高温度和最大流速。

同时，由于驻点的存在，靶窗和冷却剂在驻点位置达到最高温度。

通过在靶区入口加入扰流或合理设计靶窗的形状，可改善驻点附近冷却剂的流动状态，也能降低靶区的最高温度。

在对ADS
靶区进行设计时，经改进的流道方案及椭球形靶窗方案均可用作ADS靶区设计的可选方案。

由于辐照对材料性质影响的研究还不多，如要更全面分析靶窗长时间运行后的热工特性，需对材料进行更深入研究。

【相关文献】
［1］李浩泉．加速器驱动系统的中子物理学分析［D］．北京：清华大学，2003．
［2］ TAK N I，NEITZEL H J，CHEN H Y，et al．Thermal hydraulic analysis of window target unit for LBE cooled XADS［R］．Karlsruhe：Forschungszentrum Karlsruhe GmbH，2004．
［3］ YACHMENYOV G S．Problems of structural materials’ corrosion in lead－bismuth coolant［C］∥Proceedings of Heavy Liquid Metal Coolants in Nuclear Technology．［S．l．］：［s．n．］，1999：133－140．
［4］ Handbook on lead－bismuth eutectic alloy and lead properities［M］．Paris：Nuclear Energy Agency Organisation for Economic Cooperation and Development，2007．［5］ SOBOLEV V．Thermophysical properties of lead and lead－bismuth eutectic ［J］．Journal of Nuclear Materials，2007，362（2－3）：235－247．。