液态铅铋实验平台无窗靶水力学原理验证实验段设计研究

� 第 30卷 � 第 4期 核 科 学 与 工 程 Vol. 30 � N o� 4 � 2010年 � 12月 Chinese Journal of N uclear Science and Engineering Dec. � 2010 液态铅铋实验平台无窗靶水力学 原理验证实验段设计研究 祝玲琳1, 2 ,柏云清1, 2,陈 � 钊2 ,何梅生1, 2 ,盛美玲2 ,姚 � 曦2, 汪卫华1, 2 ,高 � 胜1, 2,陈红丽1, 2 ,黄群英1, 2 ,吴宜灿1, 2, FDS 团队1, 2 ( 1� 中国科学院等离子体物理研究所,安徽 合肥 230031; 2� 中国科学技术大学核科学技术学院,安徽 合肥 230027) 收稿日期: 2010�10�25;修回日期: 2010�11�25 基金项目:国家� 973 计划项目,中科院知识创新工程重要方向项目( KJCX2�YW�N37) 作者简介:祝玲琳( 1985 ! ) ,女,湖北襄樊人,硕士研究生,核能科学与工程专业 摘要: 液态铅铋合金无窗靶作为加速器驱动次临界系统 ( ADS )的核心部件之一, 其主要技术难点之一 在于液态合金自由液面的形成和控制,需要通过理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和实验验证。FDS 团队正在开展 ADS 反应堆 概念和液态铅铋堆芯综合模拟实验平台的设计和研制工作,无窗靶热工水力学原理验证实验段是综合 实验平台中的重要组成部分。本文给出了无窗靶水力学原理验证实验段的设计目标和初步参数,对主 要部件及实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行了设计研究。 关键词: ADS;无窗靶; 液态铅铋合金;实验回路 中图分类号: TL32� � � � � 文献标志码: A � � � � � 文章编号: 0258�0918( 2010) 04�0333�05 Design studies of hydraulic verif ication test section of windowless target of liquid lead�bismuth eutectic experimental platform ZH U Ling�lin1, 2 , BAI Yun�qing 1, 2 , CHEN Zhao2 , HE M ei�sheng1, 2 , SHENG M ei�ling 2 , YAO Xi2 , WANG Wei�hua1, 2 , GAO Sheng1, 2 , CHEN Hong�li1, 2 , HUANG Qun�y ing1 , 2 , WU Yi�can1, 2 , FDS Team1, 2 ( 1� Inst itute of Plasma Phys ics, Chin ese Academy of Sciences, Hefei of Anhui Prov� 230031, China; 2� School of Nu clear Science and T echnology, U niver sity of S cien ce and T ech nology of C hina, H efei of Anhui Prov� 230027, Chin a) Abstract: As one of the key components of the acceler ator driven system ( A DS) , the format ion and contro l of the fr ee sur face is one of the key issues in the design o f the w indow less target w hich needs the theoret ical analy sis and exper imental verificat ion� FDS team is launching the conceptual design o f ADS reacto r and is developing the integrat iv e exper imental platform of liquid lead�bismuth eutectic technology� The hydraulic 333 verificat ion facility fo r w indow less spallat ion targ et is an impo rtant part of the platform� In this paper, the aim of the design and major parameters of the facility w ere described, and the major components and experimental schemes w er e presented� Key words: accelerator driven system ; w indow less target; lead�bismuth eutectic; experimental loop 加速器驱动次临界系统( ADS )主要由质 子加速器、散裂靶、次临界反应堆 3 个部分组 成。散裂靶作为连接加速器和次临界堆的关键 部件,受到高能质子轰击,同时承受着高温和强 中子辐照,对靶材的要求较高。液态铅铋合金 ( LBE, Lead�Bismuth Eutect ic)由于具有良好 的中子学性能、抗辐照性能和传热性能,并且其 熔点低、沸点高,使散裂靶系统可选择的运行温 度和压力较低, 是目前 ADS散裂靶材并兼做冷 却剂的主要候选材料 [ 1�5]。 根据质子束真空和液态散裂靶材料 LBE 之间的界面类型的不同, 散裂靶主要分为有窗 靶和无窗靶两类。其中,有窗靶的束窗由于受 到高能、高流强质子轰击和强中子辐照,寿命和 系统的安全性受到直接的考验。而无窗靶中, 质子束直接撞击液态铅铋靶, 液态铅铋直接接 触束管真空, 在束真空和靶区之间形成自由液 面。因此,无窗靶与有窗靶相比具有以下优点: 不存在靶窗的冷却和质子能量减小的问题; 无需 承受高能质子和强中子辐照的窗结构材料, 靶单 元寿命可与燃料组件相匹配[ 6]。然而,无窗靶自 由液面的不稳定性可能会影响中子分布及次临 界堆的物理和热工性能。因此,自由液面的形成 和控制是无窗靶设计的关键问题之一。 基于前期液态合金回路方面的设计和运行 经验[ 7�8] , FDS 团队正在开展 ADS 示范堆 DEMO 概念及液态铅铋堆芯综合模拟实验平 台设计研究,为了验证 DEMO堆液态铅铋散裂 靶设计方案的合理性,优化设计方案,需要开展 液态铅铋流动和自由液面形成的水力学原理实 验研究。目前, 国际上对液态无窗靶的水力学 研究主要是利用水和汞作为工质来模拟开展实 验[ 9]。比利时的鲁文大学 U CL 开展了水实 验[ 9] ; SCK ∀ CEN 设计了建造在拉脱维亚大学 物理研究所 IPUL 的汞实验回路 [ 9]。相关实验 和模拟结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,喷嘴角度对自由液面的形成 和稳定性有重要影响 [ 9]。FDS 团队正在开展 ADS示范堆系统及无窗靶概念相关设计,同时 设计了无窗靶水力学原理验证实验段以验证设 计方案的可行性。验证实验采用液态铅铋合金 作为工作介质,计划在 FDS 团队自主研发的液 态铅铋堆芯综合模拟实验平台 KYLIN�#上开 展相关实验。 本文给出了无窗靶水力学原理验证实验段 的初步设计方案, 描述了回路系统各主要部件 的功能和参数, 同时详细介绍了靶实验模块的 各个组件(喷嘴和冷却剂入口管道等)及实验方 案的主要思路。 1 � 方案设计研究 1� 1 � 设计目标 无窗靶水力学验证实验段主要用于研究无 窗靶束管真空和液态铅铋靶之间自由液面的形 成和液面形状的控制技术。本实验段的设计参 数及实验方案是基于FDS团队正在开展的 ADS 反应堆及无窗靶概念设计方案的基础上开展的。 ADS无窗靶概念相关的主要设计参数为: 质子束能量为 1� 5 GeV, 电流为 10 mA; 束管 内径 200 mm;冷却剂进口温度 230 ∃ , 冷却剂 流速 1� 78 m/ s,由 1个机械泵和 1个电磁泵驱 动。LBE 形成 1个闭合回路,可实现带走靶区 沉积热量和形成适当的自由液面以维持束管真 空两大功能。 在无窗靶概念设计的基础上,提出了水力 学原理验证实验段的设计目标主要包括以下几 个方面: ( 1) 提供可稳定流入靶区的 LBE 流体,并 营造自由表面上方的真空环境,建立无窗靶自 由液面形成的环境。 ( 2) 设计合适的喷嘴结构, 达到优化液态 铅铋流动和减小空腔的目的, 得到合适的自由 液面。 334 ( 3) 选择合适的测量方法,观测液态铅铋 自由液面的形状和液面高度, 得到相关水力学 参数,为无窗靶优化设计提供依据。 1� 2 � 回路系统概述 本实验回路的主要部件包括靶实验模块、 LBE储存罐、电磁泵、换热器、电磁流量计、真 空系统、氩气系统、测量系统和控制系统等。回 路主管道直径 100 mm ,材料采用 T 91 商用马 氏体钢。实验段回路示意图如图 1所示。 ( 1) 铅铋合金储存罐位于回路最底部, 罐 外布置有电加热器, 用以将固态铅铋合金加热 成液态。 ( 2) 靶实验模块是开展实验的区域, 其基 本结构设计参数与 DEMO 无窗靶方案类似,以 先期开展实验研究。 ( 3) 电磁泵是回路的驱动装置, 为回路提 供适当的动力,并实现流量调节的功能,同时用 以维持自由液面的形成。 ( 4) 真空系统将靶实验模块的中心管道抽 真空到 10 Pa, 用以模拟散裂靶质子束管的真 空环境。 图 1� 实验回路示意图 F ig� 1 � Sketch of the exper imenta l lo op ( 5) 氩气系统在实验开始时可将储存罐中 已熔化的液态铅铋压入到回路中, 在实验结束 后将管道中的液态铅铋合金排回入储存罐。 实验停止期间,铅铋合金以固态形式储存 在储存罐内。进行实验前,先将储存罐内的铅 铋合金预热至 200 ∃ (铅铋合金熔点 125 ∃ ) , 然后通过氩气系统将储存罐内的液态铅铋合金 压至回路内,开始实验。 1� 3 � 靶实验模块设计 液态无窗靶的主要结构布局为双层同心管 结构,内层圆管为质子束流导管,内外层圆管之 间为 LBE 流体通道。流体从内外层导管之间 进入,向下流入散裂区,并要求在内管中心区域 形成自由液面。由于自由液面上层区域几乎为 真空环境, 为了避免 LBE 向上涌入质子束管, 破坏真空环境, 必须通过调整靶区导管的形状 和流体进出口压力边界条件, 在靶区的上方和 下方同时形成自由液面。靶区下方自由液面的 形成和控制是整个散裂靶设计的关键, 它直接 影响着散裂靶的形状以及稳定性。将外层导管 设计成喷嘴形状, 并在内外层导管之间加装导 流板是解决自由液面形成和控制难题的主要方 式。因此,在设计无窗靶水力学验证装置时,重 点研究导管间隙和喷嘴角度对自由液面的影 响。图 2给出了靶实验段的设计方案。 如果两层导管之间流道间隙过小将导致靶 区液体流速和主管道中的液体流速存在较大的 速度差,增大了流动阻力,会对驱动系统提出更 高的要求。同时会在质子束管口形成一个扰动 的自由液面,影响质子束管的真空度。而若流 335 道间隙过大, 在同等质量流量的条件下液体流 速太小, 则很难在靶区下方形成自由液面 [ 9]。 本实验模块针对 FDS 团队开展的散裂靶概念 设计参数,同时参考国际上主要设计方案,内层 导管流道间隙为 200 mm, 外层流道之间加装 可调节直径的导流板用来控制自由液面的 形成。 除了流道间隙会对自由液面造成影响之 外,喷嘴角度也会影响自由液面的形成和控制。 如果喷嘴角度过小, 则不利于维持中心质子束 导管上自由液面的高度。而较大的喷嘴角度则 可能导致散裂反应有效体积区域减小,不利于 散裂中子的产生。由 IPUL 的汞回路实验研究 结果可以看出, 喷嘴角度为 16� 5%时可以得到 较好的结果[ 9] , 本实验段的喷嘴角度基准选取 为 16� 5%,依此基准改变角度开展实验, 研究真 实铅铋流动环境条件下不同喷嘴角度对靶区自 由液面和靶区形状的影响。 1� 4 � 测量方法 为观测到不同实验条件下, 自由液面和空 腔的形状, 本实验采用 X 射线探测的方式检 测。根据 X 射线穿透被测物时的强度衰减来 进行转换测量厚度, 从而检测不透明管道内流 体的流动和自由液面的形状。 采用电磁流量计测量液态铅铋的流量, 依 据实验需求,可在不同实验段进行添加。 液面液位可采用数字温度传感器作温度补 偿的超声波液位计进行测量, 它是通过单片机 控制超声传感器连续发射超声波测量液位的。 1� 5 � 实验方案 根据研究内容和目的的不同, 设计如下主 要实验方案: ( 1) 冷却剂入口管道数量对自由液面影响 实验 为了研究流体流入的不均匀性对自由液面 的形成的影响, 实验设置 6个冷却剂入口管道, 每个管道入口直径 100 mm。回路的 6个入口 管道与靶竖直管道外管采用焊接方式连接, 且 均匀分布在竖直管道的周围, 实验通过控制管 道阀门分别开展不同入口( 2个、3个、4个和 6 个)管道数量对自由液面控制的影响实验。 ( 2) 不同喷嘴角度对自由液面影响实验 图 2� 靶实验模块设计图 F ig� 2� 2�D exper iment module of the window less targ et 靶实验模块中喷嘴角度对自由液面的形成 具有重要影响。为形成良好的自由液面, 在喷 嘴角度基准设计的基础上改变喷嘴角度,得到 合理的角度方案。在同一流量条件下,实验装 置的喷嘴角度可分别选取 25%、20%、18%、16� 5%、 15%,观测液面形成情况, 对比分析实验结果,得 出优化的喷嘴角度。 ( 3) 流动速度对自由液面影响实验 自由液面的形成和液位高度随着冷却剂入 口流速的不同而发生变化。在无窗靶的设计冷 却剂流量( 1� 78 m/ s)实验的基础上, 通过改变 外层流道入口冷却剂间隙, 改变冷却剂流速,研 究入口流速对自由液面的形成和控制的影响规 律,优化入口冷却剂流速。 2 � 结论 给出了液态无窗靶水力学原理验证实验段 的设计目标和初步设计参数及建议实验方案。 ( 1) 靶实验模块的喷嘴结构和径向尺寸的 336 基本结构与无窗靶的概念设计参数相同, 以最 大程度地模拟无窗靶的流动环境。 ( 2) 实验通过调整入口管道数量、冷却剂 流速、喷嘴角度等参数研究无窗靶自由液面的 形成及其影响因素, 为最终设计出自由液面稳 定可控的无窗靶提供支持。 ( 3) 自由液面和空腔的形状可采用 X射线 探测的方式进行观测与分析。 下一步工作将开展数值模拟, 对设计进行 进一步优化, 同时在液态铅铋堆芯综合模拟实 验平台上建造本实验段开展实验研究, 为 ADS 无窗靶设计及优化提供理论与技术支持。 参考文献: [ 1] � Rubbia C, et al� Conceptual Des ign of a Fast Neut ron Operated H igh Pow er En ergy Am plif ier [ J ] . 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