[发明专利]一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法

说明书

本发明公开了一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法，该无窗散裂靶由无窗靶组件、激光器测距仪、机械传动机构、出口段叠片等组成。本发明的创新点在于无窗靶出口段由半圆环叠片组成，半圆环的内径大小渐进过渡，半圆环可以对称关联在两侧左右移动展开和闭合。本发明采用激光测距仪获得自由液面的高度，根据自由液面的实测高度与理想高度之差，由机械传动机构驱动散裂靶出口段的半圆环叠片的张开和闭合，控制出口半径的大小，出口半径越小，自由液面的相对高度越高，反之亦然，从而实现自由控制无窗靶自由液面高度的目的。本发明原理清晰，结构简单，操作控制容易，效果明显。

技术领域

本发明涉及加速器驱动的次临界系统散裂靶的结构设计领域，具体涉及一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶及其设计方法，用于自由控制无窗散裂靶液态铅铋合金自由液面的高度，为无窗靶结构的设计定型、实验研究和ADS的长时间运行提供技术支持。

背景技术

加速器驱动的次临界系统(ADS)是一种高效嬗变处理高放核废料并兼顾发电的核装置。高能质子束直接射入散裂靶件中轰击重金属，通过质子与重金属在散裂靶件内部的散裂反应产生的中子来维持次临界堆芯中的链式反应并驱动反应堆运行。耦合次临界堆芯和质子加速器的散裂靶件是ADS的关键。散裂靶主要分为无窗靶和有窗靶，有窗靶中，靶窗壁将液态重金属和加速器分隔开，用来隔开质子束真空和液态散裂材料LBE，但是有窗靶的靶窗受到高能、高流强质子轰击和强中子辐照，存在窗的脆化和寿命，窗的冷却，蠕变条件下窗的热负荷，腐蚀性的环境，窗材料中由质子和快中子诱导的辐照损伤等问题，因此，靶的寿命和系统的安全性受到考验。长期的高能质子束轰击和辐照损伤会给窗壁材料选择带来巨大挑战。因此，无窗靶获得了越来越多的关注。

无窗靶用质子束流直接轰击液态金属，通过维持液态重金属形成的稳定自由界面和重金属的低饱和压力来确保质子束流管的高真空状态，同时，自由界面流动还将带走高能质子束轰击所产生的核热，避免液态重金属的挥发。无窗靶与有窗靶相比具有以下优点：辐射损伤问题很小，不需要开发高能质子和中子流强的耐磨材料；散裂反应效率提高，不存在靶窗的冷却和质子能量减小的问题；无需开发承受高能质子和强中子辐照的窗结构材料；靶单元寿命可以与燃料组件相匹配。可见，无窗靶能够解决有窗靶存在的致命问题，因此成为现在散裂靶的重点研究方向。然而，无窗靶的靶区表面蒸汽的存在会使真空恶化，外界干扰可能造成LBE进入真空束流管道，无窗靶自由液面不稳定还可能会影响中子分布及次临界堆的物理和热工性能。因此，无窗靶对自由液面(质子束流的最前端)稳定性的要求比较高，自由液面的形成和稳定控制是无窗靶设计的关键问题之一，目前对自由液面形成和控制问题的研究还未获得理想的解决方案。基于这一应用背景，在安徽省自然科学基金面上项目“加速器驱动次临界堆无窗靶液态金属铅铋流动与传热机理研究”的支持下，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：1)通过设计无窗散裂靶出口半径可调的方式，自由控制液态铅铋在散裂靶区形成自由液面的高度，保持无窗散裂靶自由液面的高度的稳定。2)使用激光测距仪测得液态金属自由液面的相对高度，用于传动机构控制出口半圆环叠片的移动，克服液态金属高温环境下不宜使用复杂控制电路的问题。该结构设计具有结构简单、成本低、易操作控制、实用性强，可在无窗散裂靶区获得稳定的自由液面。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种出口半径可调的叠片式无窗散裂靶的设计方法，包括如下步骤：

步骤101、根据科学实验模型或ADS系统散裂靶的结构尺寸设置无窗靶入口段的结构尺寸和运行参数；

步骤102、设置出口段的高度和叠片的数量，以及出口半径变化的曲线函数；

步骤103、液态铅铋合金从入口流入在散裂靶区形成自由液面；

步骤104、使用激光测距机获取自由液面的相对高度；