强流氘氚中子发生器直流束线与氚靶系统关键技术研究

摘要

氘氚中子发生器是一种加速器型氘氚聚变中子源，所产生的14MeV准单能中子束可在以聚变堆和快中子反应堆为代表的先进核能系统研究、以中子照相和中子治癌为代表的核技术应用研究及国防军工基础研究等领域发挥重要作用。本文在广泛调研和深入分析国内外强流氘氚中子发生器及氚靶系统发展现状的基础上，针对中国科学院核能安全技术研究所直流/脉冲两用型强流氘氚中子发生器HINEG(Highly Intensified Neutron Generator)项目中直流束传输系统和氚靶系统设计中的关键技术问题展开研究，完成了HINEG直流束传输系统的总体方案设计，并利用TRANSPORT程序进行了系统束流光学计算与分析，完成了直流束传输系统中关键传输元件螺线管透镜、加速管和三单元磁四极透镜的初步设计和计算分析。计算结果表明，本文所完成的直流束传输系统的设计方案，可满足HINEG中子发生器直流中子强度3×1013n/s的设计要求。
　　 同时，本文开展了强流中子发生器氚靶系统的设计研究工作，完成了固定氚靶和旋转氚靶系统的方案设计，利用ANSYS程序开展了氚靶系统的机械应力计算和传热分析，并且利用MCNP程序对所设计固定氚靶和旋转氚靶的出射中子能谱和通量进行了计算分析，通过对计算结果的综合分析研究表明:
　　 (1)在旋转靶系统中，采用靶片高速旋转同时靶片底衬直接喷射冷却水的技术方案，可以较好的解决氚靶靶片在强流离子束轰击下的传热问题，使靶片在承载热功率密度达到～12kW/cm2时，靶点处温度保持在200℃左右，预计中子强度可达～6×1012n/s量级;
　　 (2)靶片转轴采用磁流体密封的动密封技术方案，可确保氚靶靶片在以～1000rpm的转速高速旋转时，靶室内的真空度保持在10-3pa水平，满足系统对于强流离子束传输的真空度要求;
　　 (3) MCNP计算结果显示，在旋转靶的真空靶室外部空间沿氘离子入射方向1cm处，能量大于10MeV以上的中子占总数的91％以上，表明旋转靶方案中靶室结构和冷却水层厚度的设计比较合理，设计方案基本满足中子学的要求。
　　 本文所完成的强流氘氚中子发生器直流束传输系统和氚靶系统的方案设计及相关计算分析，将为HINEG强流中子发生器下一步的工程实施和氚靶系统的加工制造，提供准确可靠的物理设计基础。同时，也可为同类型强流氘氚中子发生器的设计与研制工作提供有益的借鉴和参考。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景

1．1．1 中子源的分类及特点

1．1．2 氘氚中子发生器的重要用途

1．2 氘氚中子发生器发展概况

1．2．1 大型氘氚中子发生器装置

1．2．2 紧凑型密封中子管

1．3 氘氚中子发生器氚靶发展概况

1．4 论文研究目的和意义

1．5 论文的主要工作与结构

第2章 强流离子束传输理论及束流包络计算方法

2．1 强流离子束传输理论

2．1．1 相空间基本概念

2．1．2 相空间束流匹配

2．2 束流包络计算方法

2．2．1 模拟计算程序简介

2．2．2 传输元件的矩阵表示

2．3 小结

第3章 强流氘氚中子发生器直流束传输系统设计与分析

3．1 总体方案设计与束流光路计算

3．1．1 设计目标及原则

3．1．2 总体方案设计

3．1．3 束流光路计算与分析

3．2 束流传输元件基本结构与设计原理

3．2．1 螺线管透镜

3．2．2 加速管

3．2．3 磁四极透镜

3．3 束流传输元件设计与计算分析

3．3．1 螺线管透镜

3．3．2 加速管

3．3．3 磁四极透镜

3．4 小结

第4章 强流氘氚中子发生器氚靶系统设计研究

4．1 需求分析

4．2 初步设计方案

4．2．1 固定靶初步设计

4．2．2 旋转靶初步设计

4．3 固定靶的计算与分析

4．3．1 强度计算与分析

4．3．2 传热计算与分析

4．3．3 中子学计算与分析

4．4 旋转靶的计算与分析

4．4．1 强度计算与分析

4．4．2 传热计算与分析

4．4．3 中子学计算与分析

4．5 小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 特色与创新

5．3 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与其它研究成果