【摘要】：流化固體顆粒靶是為滿足ADS系統(tǒng)超高束流功率需求而提出的新型高功率散裂靶概念。利用重力驅(qū)動的致密型固體顆粒流作為靶材料及換熱劑,流化固體顆粒靶在實現(xiàn)離線換熱功能的同時,可以避免液態(tài)重金屬的流動不穩(wěn)定、材料腐蝕及磨蝕、化學毒性泄露等諸多致命缺陷,為滿足幾十MW級束流功率的ADS系統(tǒng)對當前散裂靶技術提出的極限挑戰(zhàn)提供了一種很有潛力的解決方案。作為一種新型的ADS散裂靶設計概念,流化固體顆粒靶的中子學設計及參數(shù)優(yōu)化在很多方面與常規(guī)固體靶或液態(tài)金屬靶有所不同,而最重要的區(qū)別就是需結(jié)合顆粒流的狀態(tài)參數(shù)進行真實的中子學模擬。本論文從流化固體顆粒靶中子學分析及束靶參數(shù)優(yōu)化設計的目的出發(fā),對散裂反應機制及物理計算模型進行了較為深入和全面的研究,依賴可靠的散裂反應模型自主開發(fā)了專用的流化固體顆粒靶中子學計算程序,并依此開展了ADS流化固體顆粒靶的中子學及束靶參數(shù)的優(yōu)化分析。全文的內(nèi)容安排如下:第一章是流化固體顆粒靶的提出背景及其中子學計算問題的介紹,具體包括1)高功率散裂靶發(fā)展歷史的回顧及現(xiàn)階段發(fā)展水平的介紹;2)ADS系統(tǒng)的國際研究背景及其設計參數(shù)對高功率散裂靶技術提出的挑戰(zhàn),國內(nèi)ADS的研究進展及流化固體顆粒靶的提出;3)流化固體顆粒靶中子學計算問題及其專用計算程序的發(fā)展和設計思路。第二章是散裂反應物理及其計算模型的研究。關于散裂反應物理,本章首先從反應機制的角度對散裂反應中的核內(nèi)級聯(lián)過程和退激發(fā)過程進行了簡單介紹,隨后重點分析了不同反應階段在中子發(fā)射方式上的區(qū)別,并總結(jié)了構(gòu)成散裂中子學特性的能譜形狀及各項同/異性。關于散裂反應計算模型,本章首先介紹了核內(nèi)級聯(lián)模型的基本假設及模型的發(fā)展,重點介紹了INCL模型及其相對其他模型的優(yōu)越之處。隨后介紹了退激發(fā)模型的發(fā)展及ABLA模型的相對優(yōu)越性。第三章是對自主高能蒙卡輸運程序的全面介紹。具體包括1)gmt程序的幾何及材料模塊設計介紹。特別介紹了流化固體顆粒靶幾何建模方法及幾何搜尋算法特殊設計;2)gmt粒子輸運實現(xiàn)介紹。包括輸運算法特別是針對顆粒靶的高效輸運算法設計、反應截面模塊設計、電磁過程實現(xiàn)、強相互作用過程中涉及到的多種物理過程及其計算模型集成等。其中,針對顆粒靶的輸運算法設計是程序最具創(chuàng)新性的內(nèi)容,通過特殊輸運算法的采用,極大地提高了顆粒靶中子學計算效率。此外,程序中核反應模型的全面集成及合理搭配對中子學計算結(jié)果至關重要,通過incl核內(nèi)級聯(lián)模型、abla蒸發(fā)/裂變模型、fermibreak-up碎裂模型以及低能中子數(shù)據(jù)模型的集成和搭配,gmt在中子學計算方面獲得了令人滿意的準確度;3)gmt程序反應模型的gpu并行化情況介紹。第四章是對常規(guī)散裂靶中子學設計方法進行的一般性討論。首先,通過對如何獲得較高的散裂中子產(chǎn)額進行基礎的討論和總結(jié),為進一步的散裂靶中子學設計方法討論提供概念性前提。其次,對常規(guī)散裂靶中子經(jīng)濟性、中子學性能及束靶參數(shù)優(yōu)化進行一般性的討論。第五章是流化固體顆粒靶中子學優(yōu)化分析及參數(shù)設計討論。首先,由于顆粒的流動狀態(tài)及相關參數(shù)是流化固體顆粒靶中子學及相關計算的基礎,該部分內(nèi)容首先分析了基于超級計算機進行的顆粒流dem模擬大體結(jié)果,并簡單說明了采用自主高效蒙卡輸運程序?qū)α骰腆w顆粒靶進行詳細、真實的中子學及相關計算的必要性。其次,對流化固體顆粒靶中子經(jīng)濟性、中子學性能及相關束靶參數(shù)進行了較為全面的掃描計算和優(yōu)化分析,給出中子經(jīng)濟性和中子學性能相對優(yōu)化的束靶參數(shù)。在進行中子學及束靶參數(shù)優(yōu)化分析的過程中,通過純鎢材料和鎢鐵鎳合金的對比,討論了鎢合金的采用對流化固體顆粒靶中子經(jīng)濟性及中子學性能的影響。最后,論文對流化固體顆粒靶的熱沉積功率進行了較為詳實的討論和優(yōu)化分析。除了從熱沉積中子經(jīng)濟性的角度再次討論了束流能量的優(yōu)化問題,該部分內(nèi)容更多地分析了流化固體顆靶在超高運行功率方面的潛力。并對可能影響流化固體顆粒靶功率參數(shù)的耦合界面處顆粒流擾動問題進行了相關討論和分析。第六章是本論文主要工作及相關研究結(jié)論的簡單總結(jié),以及未來相關工作的展望。
【圖文】：

流化固體顆粒散裂靶中子學計算方法及研究[9]、同位素生產(chǎn)等應用方面也將發(fā)揮重大作用。正是由于巨大需求，散裂中子源從最早的幾 kW 束流功率，經(jīng)過幾十年不提高到 MW 量級水平。隨著束流功率的不斷提高，靶系統(tǒng)成為發(fā)展的關鍵。對于散裂靶來說，由于 50%左右的束流功率會沉的體積內(nèi)[10]，熱移除能力就成了高功率散裂靶設計首先要考要的因素。

流化固體顆粒靶 體積占比也會更大。不可避免地，，會有更多的束流能量損失在冷卻中子源亮度也會降低。因此，早期的固體靶包括 KEK 的 KEN(日本的 IPNS（美國）、LANL 實驗室的 WNR（美國）和 RAL 實驗室的 I，設計功率均在中低功率水平（幾 kW 到百 kW 量級）。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O571.5

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