加速器驱动次临界系统中液态有窗和无窗靶的中子物理及热工水力特性

摘要

随着人类社会的迅速发展，人们对能源的需求日益增大。核能作为一种清洁、安全和经济的能源形式受到了全球的广泛重视。然而，核电事业的蓬勃发展，给人类社会带来了极大的利益的同时也让人们面临着如何妥善处理核废料的难题。核电厂运行产生的高放射性核废料能否得到妥善处置、核资源能否得到充分利用和核反应堆能否安全有效运行，这些问题都将制约着核电的发展，因而研究和实现核能可持续发展是十分有必要的。为了解决这些难题，20世纪末期国际上提出了加速器驱动次临界系统（ADS）的概念，它是集产能和嬗变核废料为一体，且能较好地提高核燃料利用率的系统，是一种能实现核裂变能可持续发展的创新型路线。
　　中子散裂靶作为耦合ADS系统中加速器和次临界系统的重要部件，其中子物理学特性和热工水力特性是整个ADS系统研究的关键技术问题。针对ADS系统散裂靶，国际上提出了多种设计方案，本文主要围绕散裂靶中最有潜力的液态有窗靶和液态无窗靶，采用蒙特卡洛MCNPX程序和计算流体力学CFX软件对这两种靶件进行了中子学和热工水力学方面的数值模拟分析。
　　本文首先以欧洲PDS-XADS液态有窗靶的结构设计为原型，采用MCNPX程序模拟有窗靶内质子与靶核的散裂反应和中子输运过程，计算得出靶区内中子通量的空间分布具有从靶窗下方开始先增大后减小的特点，散裂反应产生的中子主要为快中子，中子的主要能量范围为0.4-2MeV。靶区内的热沉积密度随距靶窗中心的径向半径和轴向深度的增大而逐渐减小，靶窗内的热沉积密度随距离靶中心轴的角度?的增大呈椭圆形衰减。采用CFX程序研究液态铅铋合金在有窗散裂靶内的内部流动规律和热输运过程，为了使数值模拟的结果真实可信，本文通过研究液态铅铋合金的特性和对CFX中不同的湍流模型进行评价，得出SST模型为CFX计算液态有窗靶件的合适湍流模型。讨论在不同工况下靶窗的散热特性，得出随着冷却剂进口流速、冷却剂进口温度、冷却剂入口湍流强度的不断增大，冷却剂对靶窗的冷却效果越好，更有利于靶窗的散热。分析不同流动方式下有窗靶内的流动换热特性，得出冷却剂向上流动为液态有窗靶应采用的较合适的流动方式。由于靶窗散热是液态有窗靶研究的重点，为了改善靶窗的散热能力，本文还对有窗靶结构进行了优化设计，分析得出随着靶窗厚度的不断减小，靶窗内表面温度逐渐地降低；靶窗形状对靶窗的散热有一定影响，长轴在水平方向上的椭球形靶窗的散热效果较好；改变靶件的几何形状对靶窗散热效果有较大的影响；在有窗靶内引入导流板和球形突起后，靶区内的流场变得更加复杂，使得冷却剂对靶窗的散热能力得到了一定程度的提高。
　　接着，本文采用CFX程序以欧洲最新的MYRRHA液态无窗散裂靶为原型进行数值分析，采用标准k-ε湍流模型、Cavitation模型和VOF界面捕捉方法，研究液态铅铋合金及其蒸汽两相含气蚀相变的流动特性和靶区内冷却剂自由界面的形态特征。对于液态无窗靶，自由界面的稳定形成是无窗靶研究的难点，因而本文研究了不同工况下自由界面的动态行为，并得到了形成稳定自由界面形态的控制方法，分析得出流体出口压力在10000-40000Pa和流体入口流速在0.5-1.2m/s的范围内时无窗液态靶内出现了两个稳定的气液分界面，自由界面附近的流场结构较复杂，出现了漩涡区，而漩涡区内的紊乱流动形态，造成了自由界面的波动。由于液态无窗靶内流场结构和相分布的复杂性，本文只研究了当自由界面形态达到稳定后无窗靶内的中子学特性，采用MCNPX程序模拟计算得出无窗靶内中子通量的空间分布、中子能谱分布和能量沉积，并将计算得到的靶区内的热沉积作为热源输入到CFX程序中模拟研究无窗靶内的传热特性，分析得出随着热源的持续加入，热量在靶区内逐渐扩散开来，同时冷却剂的流动会不断地带走靶区内的热量。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容和意义

2 模型及数值研究方法

2.1 ADS系统和散裂靶介绍

2.2数值模拟方法

2.3 LBE的热工水力特性研究

2.4 本章小结

3 液态有窗靶的数值模拟研究

3.1 液态有窗靶的物理计算研究

3.2 液态有窗靶的热工计算研究

3.3 液态有窗靶的优化设计

3.4 本章小结

4 液态无窗靶的数值模拟研究

4.1液态无窗靶流动模拟研究分析

4.2 液态无窗靶的物理计算研究

4.3液态无窗靶的传热模拟分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文结论

5.2 进一步工作的展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士期间发表的文章

B. 作者在攻读硕士期间参加的科研项目