加速器驱动次临界系统散裂靶参数优化计算

采用国际开源程序包Geant4,构建高能质子束轰击加速器驱动次临界系统(ADS)散裂靶的物理模型,模拟计算质子轰击液态金属铅、铅-铋合金和汞靶的泄漏中子谱分布,以及计算不同能量质子对应的铅靶泄漏中子产额和轴向积分分布,获得1 Ge V质子对应的铅圆柱靶优化参数,考虑入射质子的利用率和整个堆芯的体积质量,优化靶半径范围为16～24 cm,靶高为100 cm,相关研究结果可为(ADS)散裂靶的物理和工程设计提供理论依据。     

散裂靶中质子束窗的散射效应

 质子束窗是在高功率靶区中的一个分界窗,它将质子输运线上高真空区域和氦容器中的氦环境分开。在其他散裂中子源中质子束窗的热效应以及机械问题都已经被研究过了,但质子束在该窗中散射效应的研究却很少被报导,然而在靶设计中如果没有处理好质子束窗的散射效应会有很大的问题。报导了质子束窗散射效应的模拟计算结果,包括不同质子束窗的材料和结构选择,并以中国散裂中子源（CSNS）为例,介绍了在CSNS一期和二期中质子束窗采用周边水冷的铝合金单层结构,CSNS三期采用中间水冷的铝合金夹层结构。文中给出了不同结构的质子束窗和不同的与靶距离散射效应对靶上经非线性磁铁均匀化的束流分布的影响的模拟计算结果。模拟结果显示质子窗的散射效应对束流损失和靶上的束流分布有重要的影响。     

E_p≤3GeV质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟(英文)

加速器驱动次临界系统(ADS)液态Pb-Bi散裂靶的设计中,需要可靠的理论计算工具精确地预言几个GeV能量范围的质子引起的散裂反应产生的各种粒子和核素。利用蒙特卡罗模拟软件包Geant4计算研究了800 MeV至3 GeV质子入射铅、铋材料引起的中子产生双微分截面。比较了Geant4不同物理模型得到的模拟结果与现有的实验数据。其中,Geant4的QGSP BERT和QGSP INCL ABLA物理模型模拟结果很好地再现了实验数据。本工作证实了Geant4蒙特卡罗模拟软件包适合用于能量高达3 GeV的质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟计算。     

高能质子在散裂靶中的能量沉积计算与实验验证

高能质子在散裂靶中的能量沉积是散裂靶中子学研究的重要内容之一,准确掌握高能质子在散裂靶中引起的能量沉积分布与瞬态变化是开展散裂靶热工流体设计的重要前提.本文采用MCNPX,PHITS与FLUKA三种蒙特卡罗模拟程序,计算并比较了高能质子入射重金属铅靶、钨靶的能量沉积分布及不同粒子对总能量沉积的占比贡献;针对高能质子入射金属钨靶的能量沉积实验数据空白,采用热释光探测器阵列测量了250 MeV质子束入射厚钨靶的能量沉积分布,实验结果表明蒙特卡罗模拟程序在散裂靶中能量沉积的计算结果具有较高的可靠性.     

CSNS-Ⅱ靶站质子束窗结构设计与优化分析

中国散裂中子源（CSNS）靶站质子束窗位于环到靶站输运线（RTBT）与靶站交接面,起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高,目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-Ⅱ 500 kW的高功率需求,因此开展CSNS-Ⅱ质子束窗研制,设计出双层膜中间通水的冷却结构,完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出,冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析,消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8℃,薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析,在每年5 000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下,辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA,质子束窗的安全使用寿命在7年以上。     

C-ADS中质子束窗散射效应和热力学计算

质子束窗是C-ADS中隔离加速器的真空环境与靶的非真空环境的重要部件。质子束窗材料及其冷却介质造成的束流散射效应是造成束流在靶外损失的主要因素,由于质子束窗中的高能量沉积和高辐照效应,束窗的热力学计算显得尤为重要。计算结果表明:当质子束窗和散裂靶距离为1.5 m时,通过选取合理的结构参数,多管道型质子束窗结构可以将靶外束流损失控制在1%以内。束窗中总的应力,包括由于温度升高造成的热应力、冷却剂的静压,以及束窗两侧加速器真空与外部非真空环境的压强差造成的应力,可以有效控制在所用材料的许用应力之内。并通过计算讨论给出C-ADS中质子束窗的初步设计参数。     

ADS中子源散裂靶物理研究

运用蒙卡程序DCM CEM对ADS标准散裂中子靶进行了计算研究.计算了在0.1~1.6GeV的质子轰击下,标准Pb靶发生散裂反应产生的泄漏中子产额及分布、中子能谱以及靶内能量沉积分布.计算结果与文献理论数据、实验数据进行了比较.     

CiADS中LBE散裂靶的放射性核素研究

铅铋合金(LBE)作为中国加速器驱动系统(CiADS)散裂靶的候选材料,长期辐照使其具有很强的放射性。散裂靶放射性核素的研究仅考虑了质子束的散裂反应,而忽略了反应堆裂变中子的活化作用。本文采用FLUKA和MCNP耦合计算LBE和及其结构件的放射性产物。比较了裂变中子和高能质子在放射性产物的活度、主要放射性核素、毒性和衰变光子等方面的贡献。裂变中子的活化作用对主壳、导管和射束管有显著影响。当反应堆趋于临界状态时,裂变中子对LBE的活化作用是高于质子束流的。在LBE中,96.66%的 210Po是由裂变中子诱导的。这些结果表明,裂变中子在LBE及其结构部件的活化计算中是必不可少的。此外,本研究为CiADS的辐射防护提供了参考数据,也为ADS系统中散裂靶的放射性核素研究提供了更准确的方法。     

激光时空分布对钢靶温度场及热软化的影响

 用有限元模型数值模拟了能量和作用时间相同而时空分布不同的连续波激光辐照下，带涂层钢靶的温度场和热软化分布。结果表明，光强空间分布不同时，靶后表面温度分布虽有不同程度的差别，但材料中部的热软化差别很小，仅热软化的范围略有改变；光强时间分布不同时，靶面温升的历史不同，但最终温度和温度分布都趋于一致。模拟分析结果与实验结果一致。     

Ep≤63 GeV 质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟(英文)

加速器驱动次临界系统(ADS) 液态Pb-Bi 散裂靶的设计中,需要可靠的理论计算工具精确地预言几个GeV 能量范围的质子引起的散裂反应产生的各种粒子和核素。利用蒙特卡罗模拟软件包Geant4 计算研究了800 MeV至3 GeV 质子入射铅、铋材料引起的中子产生双微分截面。比较了Geant4 不同物理模型得到的模拟结果与现有的实验数据。其中,Geant4 的QGSP BERT和QGSP INCL ABLA 物理模型模拟结果很好地再现了实验数据。本工作证实了Geant4 蒙特卡罗模拟软件包适合用于能量高达3 GeV 的质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟计算。A detailed design of the liquid Pb-Bi spallation target of the Accelerator Driven Systems (ADS) requires powerful and reliable computational tools that can accurately predict particles and nuclides production by the proton induced spallation reactions in the energy range of a few GeV. In this paper, the neutron production double-differential cross sections for Pb and Bi target materials at incident proton kinetic energies between 800 MeV and 3 GeV are studied by calculations with Monte Carlo simulation package Geant4. The simulated results of Geant4 with several physics models are compared with available experimental data. The simulated results generated by QGSP BERT and QGSP INCL ABLA physics models of Geant4 well reproduce the available experimental data. The present results validated that Geant4 Monte Carlo simulation package is suitable for simulations of neutron production double-differential cross sections of proton induced reaction on Pb and Bi targets in the incident energy range up to 3 GeV.     

圆管内液态铅铋合金强制对流换热特性研究

圆管内液态铅铋合金的强制对流换热特性研究对加速器驱动的次临界核能系统的发展具有重要意义。运用大涡模拟方法,对恒热流密度条件下三维圆管内液态铅铋合金强制对流换热特性进行了数值计算,对比发现模拟结果和实验数据及关联式吻合良好。对比了不同入口速度条件下流场的速度和温度分布、传热Nu数、无量纲时均温度、无量纲均方根温度和湍流涡分布等,进一步分析了不同雷诺数对圆管内液态铅铋合金强制对流换热特性的影响规律。在恒热流密度条件下,随着Re数的增加,液态铅铋合金的Nu数逐渐增大,圆管不同截面的温差逐渐减小,湍流涡分布增多,提高Re数能够增强液态铅铋合金的传热性能。     

一种废束站束窗结构设计与优化

废束站束窗是废束站的重要部件。利用束流的束斑尺寸及功率确定束窗能量的高斯分布方式;通过蒙特卡罗方法计算束窗的沉积能量。利用ANSYS稳态分析确定束窗的材料、截面形状和厚度。通过计算比较束窗在不同材料、截面形状和厚度条件下的温度、应力和变形,得出合适的束窗材料、截面形状和厚度,从而确定束窗的最终结构。最后利用瞬态方法模拟束窗调束时的温度分布情况。     

体积填充率变化对球床钨颗粒散裂靶中子学特性影响的研究

应用MCNPX程序,构建质子束轰击球床钨颗粒散裂靶的物理模型,模拟散裂靶泄露中子产额、能谱、通量轴向分布以及散裂靶沉积能分布。针对不同钨颗粒直径和体积填充率,研究了不同钨颗粒直径下体积填充率变化对球床散裂靶中子学特性的影响。模拟结果表明,钨颗粒体积填充率增加,散裂靶的最大沉积能密度减小。在1～20 mm的范围内,钨颗粒的直径越小,散裂靶泄漏中子产额越大,散裂靶泄漏中子产额随钨颗粒体积填充率变化的波动越小,有利于维持CIADS系统反应堆功率稳定。The physical model of the high-energy proton bombarding the tungsten pebble bed spallation target is simulated by the MCNPX program. The effect of the filling rate on the neutronic characteristics with different particle diameters is studied, by calculating the leakage neutron yield, leakage neutron spectrum axial neutron flux distribution and the energy deposition of the target. The result shows that when the diameter increases from 1 to 20 mm,the maximum deposited energy density decreases in the target, but the leakage neutron yield increases. When the filling rate reaches 74%, leakage neutron yields are almost the same value with different particle diameters. When the target is piled up with 1 mm tungsten particles, neutron leakage yield changes smaller with the variation of the filling rate than the other diameter particles which is beneficial to maintain the reactor power stability in ADS.     

中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析

本文采用高能粒子输运程序MCNPX 2.5.0,对中国散裂中子源(CSNS)靶站重要部件所使用的钨、SS316不锈钢与Al-6061等材料,由于中子与质子辐照所引起的损伤能量截面与原子离位截面进行了计算,对钨靶体、靶的不锈钢容器、慢化器与反射体的铝容器等部件的辐照损伤量——原子离位次数(displacement per atom,DPA)进行了计算与分析,并给出了质子束斑形状对靶体及靶容器DPA峰值的影响. 这些计算与分析对正在建设的中国散裂中子源靶站的设计及参数选择具有重要的实际意义. 关键词： 中国散裂中子源 损伤能量截面 原子离位截面 DPA     

入口加旋转速度对ADS无窗散裂靶回流区高度的影响

在已有的加速器驱动次临界堆无窗散裂靶的设计中,回流区内流体流速较低,散裂反应产生的热量无法被有效带走,不利于整个系统的安全运行。本文围绕这一核心问题,在散裂靶入口加入旋转速度,实现对回流区的优化。首先,通过数值模拟与实验结果的瞬态流型比较,验证了数值方法的正确性。紧接着,在入口逐步加入旋转速度,回流区高度逐渐减小且形成一个新的气蚀区,当旋转速度到达较大数值时,回流区消失,通过流体力学分析上述物理过程得到了解释。在加入更大旋转速度后,新的气蚀区与上方的蒸汽区充分联结,形成了一个"V"字形的蒸汽区域。上述物理结果对我国加速器驱动次临界堆无窗散裂靶的设计优化具有一定参考价值。     

铁在液态铅铋合金中腐蚀的分子动力学研究

液态铅铋合金(LBE)是一种性能优异的材料,在加速驱动系统(ADS)中作为散裂靶和冷却剂材料。然而,在ADS中,贮存LBE的容器和结构钢材料在高温下与LBE直接接触时会被严重腐蚀。本文研究该腐蚀和金属Cr、Ni减轻该腐蚀的机制。研究发现,铁在LBE中被腐蚀的微观机制是由于铁原子与LBE原子相互渗透,破坏了铁材料结构;铁中掺入Cr、Ni可以有效减轻铁的腐蚀,其微观机理为金属Cr、Ni加入到铁后阻止了LBE原子渗入铁材料中破坏其结构。     

采用超薄双层靶提高质子束的单能性

利用1维粒子模拟程序,研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明,基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度,靶后静电场增强,质子的最大能量显著增大;减小加速层厚度,靶后静电场分布变得更加均匀,质子能谱中心能量变化不大,单能性变好。通过优化参数,获得了能散度为7%的准单能质子束。     

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采用两相流的流动换热理论,建立二维几何模型,运用FLUENT对稳定入口流速下注入气体的铅铋流动段作了模拟。模拟研究注入气体的体积份额或速度改变对压力和铅铋与注入气体之间换热与影响,得到了不同条件下的温度与压力分布。分析结果发现,体积份额减小,铅铋流体的径向温度分布更加均匀,中心温度更低;随着体积份额的减小,铅铋的总压呈现出一种下降的趋势。注入气体速度不同对铅铋整体的换热影响不大;中心处的动压有较大增加,总压改变甚微。     

ADS无窗散裂靶件水模拟实验研究

散裂靶件作为加速器和次临界堆芯的耦合部件,是ADS系统相关研究最主要的组成部分之一。无窗靶巧妙地利用了液体的自由液面特性,避免了质子束对结构材料直接轰击,是一种很有前景的散裂靶靶件形式。采用水作为实验工质搭建了一套无窗散裂靶水模拟实验台架,该实验系统覆盖了无窗散裂靶水模拟实验所需的流量及压力条件,采用粒子图像测速仪(PIV) 对自由界面的流场进行可视化观察与分析,得到了自由界面的基本表征参数之间关系和可视化界面的流场信息。结果表明,无窗靶自由液面的位置和形状受到回路整体流量、压力和靶件几何尺寸的影响。As the coupling component between accelerator and subcritical core, the spallation target is of crucial importance to the operation safety of the whole system. Hence, the spallation target is one of the most important parts in ADS corresponding researches. Due to lifetime limitation of material, the windowless target which has a stable free surface attracts more and more attention. The present paper deals with the experimental investigation on the free surface behavior in an approximately 1:1 size windowless target model using water as test fluid. We can get the flow and pressure conditions of windowless spallation target water simulation experiment from the platform. The free surface and eld visualization were obtained by particle imaging velocimetry. The  results show that the position and  flow pattern of the free surface depend on experimental pressure, flow velocity and geometry of the target.     

400~1500 MeV质子轰击铅靶和钨靶的出射中子能谱的FLUKA和Geant4模拟研究

在ADS散裂靶系统的优化设计中,蒙特卡罗方法结合可靠的散裂反应理论模型进行中子学计算具有重要的作用。本工作利用Geant4程序中的INCLXX模型、BIC模型以及BERT模型和FLUKA程序分别模拟了597 MeV和1 500 MeV质子轰击薄铅靶不同出射角度的中子双微分截面,500,1 500 MeV质子轰击厚铅靶不同出射角度的中子双微分产额,以及400,600,800,1 000和1 200 MeV质子轰击厚钨靶在反角方向（175 °）的中子双微分产额,并与实验数据进行比较。研究表明,对于薄铅靶,Geant4程序的INCLXX模型和FLUKA程序模拟结果与实验符合得更好。能量在10～40 MeV范围内,BIC模型模拟结果明显高于实验数据,而BERT模型模拟结果略微低于实验数据。对于厚铅靶,在40 MeV左右所有的模拟结果都低于实验数据。对于厚钨靶,Geant4程序的BIC模型和FLUKA程序与实验数据符合得较好,INCLXX模型在能量高于60 MeV时模拟结果低于实验数据,BERT模型与实验数据差异较大。总体来看,Geant4程序的INCLXX模型和FLUKA程序进行ADS散裂靶相关的中子学的计算是合理和可靠的。The reliable Monte Carlo simulation codes coupled with nuclear reaction models play an important role in the neutronic calculation for the design and optimization of the ADS spallation target. In this work, the double differential cross sections at different angles produced from a thin lead target bombarded with 597 and 1 500 MeV protons, the neutron energy spectra at different angles produced from a thick lead target bombarded with 500 and 1 500 MeV protons, and the neutron energy spectra in the backward direction(175°) produced from a thick tungsten target bombarded with 400, 600, 800, 1 000 and 1 200 MeV protons are calculated with the Geant4 code coupled INCLXX, BIC and BERT models and the FLUKA code. The calculations are compared with the available experimental data. The results show that, for the thin lead target, the calculations with the Geant4 coupled INCLXX model and FLUKA code well reproduce the experimental results. In a energy range from 10 to 40 MeV, BIC model obviously overestimates the experimental results, and BERT model slightly underestimates the experimental results. For the thick lead target, all of the calculations underestimate the experimental results around 40MeV. For the thick tungsten target, the Geant4 coupled BIC model and FLUKA code well reproduce the experimental results. INCLXX model underestimates the experimental results above 60 MeV. BERT model bad reproduces the experimental results. Overall, the neutronic calculations with the Geant4 code coupled INCLXX model and FLUKA code for the ADS spallation target is reasonable and reliable.