ADS无窗散裂靶件自由界面及系统特性研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
91026020
项目类别：
重大研究计划
资助金额：
80.0万
负责人：
顾汉洋
依托单位：
上海交通大学
学科分类：
A3005.中子技术及应用
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
刘晓晶；胡珀；匡波；于意奇；张思宇；赵萌；苏冠宇；王磊；
关键词：
无窗散裂靶件靶件冷却循环系统 ADS系统自由界面

项目摘要

散裂靶件是ADS系统的核心部件，成为ADS系统的研究重点之一。无窗散裂靶件避免了以往有窗靶件窗体材料需要承受高辐照、高热负荷和强腐蚀的内在缺陷，成为目前国际上靶件研究和设计的主要方向。但液态自由界面靶件也带来了新的挑战即保证自由界面的稳定性是实现整个系统安全运行的核心。本项目针对无窗靶件的自由界面行为和靶件冷却循环系统动态响应两个关键的科学问题开展实验、理论和数值研究。通过模化实验研究，获取无窗散裂靶件自由界面的形成和控制机理以及靶件区冷却剂内部流场规律。基于实验数据，开发描述无窗散裂靶件界面形态和动态特性的理论模型和计算方法。通过数值计算和理论分析，从靶件局部自由界面和靶件冷却循环系统两个层面得到重金属铅－铋合金冷却无窗散裂靶件自由界面的主控因素和设计准则，提出我国自主的无窗散裂靶件优化设计方案。为我国ADS嬗变堆的无窗散裂靶件设计提供理论技术支持。

结项摘要

本项目针对ADS系统的无窗散裂靶,围绕两大基本问题：无窗散裂靶件中自由界面可控稳定性和散裂区域流动场，开展了较为系统的模拟实验和数值研究。设计并分析了重力主导的下落式无窗靶件和离心力主导的上旋式无窗靶件。分析了无窗散裂靶件自由界面流动现象的控制方程，针对重力主导的下落式得到控制界面形态的五个无量纲参数和上旋式无窗靶件的两个无量纲参数，论证了采用水作为实验流体进行界面模拟试验的可行性。设计搭建了用于ADS无窗靶件自由界面及其流场实验的回路系统。开发了激光诱导荧光结合高速摄像的自由界面及流场测试手段。实验系统分析了流量、压差对自由界面结构的影响，建立了不同工况下的自由界面和流场实验数据库。结果发现针对下落式靶件自由界面的长度随着入口流量的增大而二阶函数递减，随着压差的增大而线性减小。通过对不同湍流模型的数值分析比较证实LES湍流模型结合VOF界面捕捉方法能实现对自由界面流动和流场信息的准确描述。采用该方法对铅铋合金的自由界面进行了计算验证了LEB流体在下落式界面控制规律与水模拟试验结果一致。下落式无窗靶件始终存在流动滞止区，不利于散裂反应热量导出，为此提出了基于离心力的上旋式无窗靶件设计。这种新设计在LEB上升段设置导向叶轮使得管内流动产生旋转，管内流体在出口的切向速度产生的离心力使得自由界面自然形成中部下凹的界面轮廓，由此产生的靶件自由界面平滑完整，且在界面下方不存在漩涡区，通过数值分析阐述了上旋式自由靶件的界面形成机理。针对上旋式靶件的流量和旋转角度进行了较为系统的试验研究，获得了各种工况下的自由界面结构，证实了上旋式靶件具有十分稳定的且可控的自由界面。该设计具有很强的工程可实施性和应用前景，避免了国际上集中于下落式自由靶件的固有缺陷，值得进一步的分析和研究。本项目申请国家专利1项，发表论文七篇。