【摘要】：近年來全球氣候環(huán)境惡化,世界能源危機日益嚴(yán)峻,同時傳統(tǒng)核能發(fā)展受到諸多瓶頸制約,新型清潔能源的發(fā)展備受重視,在這一背景下國內(nèi)外紛紛開展了加速器驅(qū)動的清潔核能系統(tǒng)ADS (Accelerator Driven Sub-Critical System)的研究與物理概念設(shè)計,中國ADS項目(C-ADS)自1999年列入“973計劃”以來得到了快速的發(fā)展,并取得了階段性的成果。目前C-ADS處于加速器物理設(shè)計階段,并計劃于-2032年建成為質(zhì)子束能量為1.5GeV,功率為15MW的強流質(zhì)子加速器和≥1GWt的示范嬗變反應(yīng)堆裝置。 與國內(nèi)外現(xiàn)役加速器相比較,C-ADS中加速器具有高流強高功率和高運行可靠性的特點,并且運行時間99%,因此對加速器物理設(shè)計提出了極高的技術(shù)要求。C-ADS高能質(zhì)子輸運線(HEBT, high energy proton beam transport line)連接了直線加速器和嬗變堆/廢束箱,起到了束斑變換、束流監(jiān)測、束流準(zhǔn)直等作用。真空質(zhì)子束窗(PB W, proton beam window)是位于HEBT末段用于隔離加速器真空環(huán)境和靶系統(tǒng)非真空環(huán)境的部件,保證了加速器的真空運行環(huán)境,對C-ADS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到重要作用。本論文通過計算給出了適用于C-ADS中的真空質(zhì)子束窗的初步設(shè)計參數(shù)。準(zhǔn)直器是HEBT上另一重要組件,主要作用是減少加速器末段由靶出射的反角中子對磁鐵等組件的輻射損傷,本文根據(jù)C-ADS-III HEBT初步設(shè)計方案給出準(zhǔn)直器初步模擬計算。 強流質(zhì)子束穿過質(zhì)子束窗時與束窗材料的相互作用會引起束流散射及能量沉積,并且對束窗造成輻射損傷。束流散射效應(yīng)會使得束流到達靶面時束暈增大、靶外功率損失增加,增加了靶系統(tǒng)材料性能要求及屏蔽設(shè)計難度。束窗內(nèi)的束流能量沉積會引起束窗溫度升高,進而影響束窗的機械性能,因此束窗應(yīng)配備良好的冷卻系統(tǒng)。束窗材料的輻射損傷會對束窗的機械性能產(chǎn)生影響進而影響使用壽命。因此束流散射效應(yīng)、能量沉積及冷卻、輻射損傷以及束窗的機械性能是束窗設(shè)計最為重要的因素,本論文從這幾個方面對質(zhì)子束窗進行了計算討論。 本文首先總結(jié)比較了現(xiàn)有加速器系統(tǒng)中的(主要是國內(nèi)外散裂中子源)質(zhì)子束窗設(shè)計,選取了多管道型真空質(zhì)子束窗(multiple pipes proton beam window)進行計算討論,并根據(jù)C-ADS一期、二期和三期工程加速器束流物理初步設(shè)計參數(shù)對束窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了相應(yīng)的調(diào)整以滿足要求。 本文使用大型蒙特卡洛粒子輸運程序FLUKA計算討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料下多管道型束窗的束流散射效應(yīng),給出了在不同功率損失要求下束窗材料選取及初步結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。文中給出了束窗材料輻射損傷計算結(jié)果,包括束窗材料的DPA、氣體生成率及其他余核生成率,并根據(jù)束窗材料的DPA給出束窗壽命的初步估算,同時也為束窗機械性能的進一步研究提供參考。 本文使用FLUKA計算了束窗中的束流能量沉積,并使用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT對束窗進行了單向流固耦合計算,得到了C-ADS一期、二期和三期工程中束窗冷卻條件及溫度場分布。 本文根據(jù)束窗流體力學(xué)計算結(jié)果,使用大型工程仿真技術(shù)平臺ANSYS Workbench對束窗進行了應(yīng)力分析,給出了不同運行條件下束窗的應(yīng)力分布。在綜合分析計算結(jié)果的基礎(chǔ)上給出了有望用于C-ADS中的束窗初步設(shè)計參數(shù)及運行條件。 C-ADS強流質(zhì)子入射到靶(液態(tài)Pb-Bi)時產(chǎn)生的大量中子是嬗變反應(yīng)堆的驅(qū)動中子源,但是靶內(nèi)各向同性發(fā)射的蒸發(fā)中子會在沿質(zhì)子入射方向產(chǎn)生大量的反角散射中子,對HEBT上的磁鐵、束流監(jiān)測設(shè)備等組件造成輻射損傷,準(zhǔn)直器正是用于阻擋反角散射中子從而保護HEBT末段組件與部件。本文利用FLUKA對C-ADS-Ⅲ HEBT末段進行了簡化建模和輻射場計算,給出了準(zhǔn)直器的位置及初步尺寸參數(shù)設(shè)計,以及其對質(zhì)子通道內(nèi)反角散射中子產(chǎn)生的輻射場和磁鐵壽命的影響的初步討論。 文中總結(jié)了計算過程中存在的問題及局限性,并對下一步完善設(shè)計及實際應(yīng)用提出建議。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TL503

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本文編號：2615336