液態鉛鉍實驗平臺無窗靶水力學原理驗證實驗段設計研究

祝玲琳,柏云清,陳 釗,何梅生,盛美玲,姚 曦,汪衛華,高 勝,陳紅麗,黃群英,吳宜燦,FDS團隊

(1.中國科學院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031;

2.中國科學技術大學核科學技術學院,安徽 合肥 230027)

加速器驅動次臨界系統(ADS)主要由質子加速器、散裂靶、次臨界反應堆3個部分組成。散裂靶作為連接加速器和次臨界堆的關鍵部件,受到高能質子轟擊,同時承受著高溫和強中子輻照,對靶材的要求較高。液態鉛鉍合金(LBE,Lead-Bismuth Eutectic)由于具有良好的中子學性能、抗輻照性能和傳熱性能,并且其熔點低、沸點高,使散裂靶系統可選擇的運行溫度和壓力較低,是目前ADS散裂靶材并兼做冷卻劑的主要候選材料[1-5]。

根據質子束真空和液態散裂靶材料LBE之間的界面類型的不同,散裂靶主要分為有窗靶和無窗靶兩類。其中,有窗靶的束窗由于受到高能、高流強質子轟擊和強中子輻照,壽命和系統的安全性受到直接的考驗。而無窗靶中,質子束直接撞擊液態鉛鉍靶,液態鉛鉍直接接觸束管真空,在束真空和靶區之間形成自由液面。因此,無窗靶與有窗靶相比具有以下優點：不存在靶窗的冷卻和質子能量減小的問題;無需承受高能質子和強中子輻照的窗結構材料,靶單元壽命可與燃料組件相匹配[6]。然而,無窗靶自由液面的不穩定性可能會影響中子分布及次臨界堆的物理和熱工性能。因此,自由液面的形成和控制是無窗靶設計的關鍵問題之一。

基于前期液態合金回路方面的設計和運行經驗[7-8],FDS團隊正在開展ADS示范堆DEMO概念及液態鉛鉍堆芯綜合模擬實驗平臺設計研究,為了驗證DEMO堆液態鉛鉍散裂靶設計方案的合理性,優化設計方案,需要開展液態鉛鉍流動和自由液面形成的水力學原理實驗研究。目前,國際上對液態無窗靶的水力學研究主要是利用水和汞作為工質來模擬開展實驗[9]。比利時的魯文大學 UCL開展了水實驗[9];SCK?CEN設計了建造在拉脫維亞大學物理研究所IPUL的汞實驗回路[9]。相關實驗和模擬結果表明,噴嘴角度對自由液面的形成和穩定性有重要影響[9]。FDS團隊正在開展ADS示范堆系統及無窗靶概念相關設計,同時設計了無窗靶水力學原理驗證實驗段以驗證設計方案的可行性。驗證實驗采用液態鉛鉍合金作為工作介質,計劃在FDS團隊自主研發的液態鉛鉍堆芯綜合模擬實驗平臺KYLIN-Ⅲ上開展相關實驗。

本文給出了無窗靶水力學原理驗證實驗段的初步設計方案,描述了回路系統各主要部件的功能和參數,同時詳細介紹了靶實驗模塊的各個組件(噴嘴和冷卻劑入口管道等)及實驗方案的主要思路。

1 方案設計研究

1.1 設計目標

無窗靶水力學驗證實驗段主要用于研究無窗靶束管真空和液態鉛鉍靶之間自由液面的形成和液面形狀的控制技術。本實驗段的設計參數及實驗方案是基于FDS團隊正在開展的ADS反應堆及無窗靶概念設計方案的基礎上開展的。

ADS無窗靶概念相關的主要設計參數為：質子束能量為1.5 GeV,電流為10m A;束管內徑200 mm;冷卻劑進口溫度230℃,冷卻劑流速1.78 m/s,由1個機械泵和1個電磁泵驅動。LBE形成1個閉合回路,可實現帶走靶區沉積熱量和形成適當的自由液面以維持束管真空兩大功能。

在無窗靶概念設計的基礎上,提出了水力學原理驗證實驗段的設計目標主要包括以下幾個方面：

(1)提供可穩定流入靶區的LBE流體,并營造自由表面上方的真空環境,建立無窗靶自由液面形成的環境。

(2)設計合適的噴嘴結構,達到優化液態鉛鉍流動和減小空腔的目的,得到合適的自由液面。

(3)選擇合適的測量方法,觀測液態鉛鉍自由液面的形狀和液面高度,得到相關水力學參數,為無窗靶優化設計提供依據。

1.2 回路系統概述

本實驗回路的主要部件包括靶實驗模塊、LBE儲存罐、電磁泵、換熱器、電磁流量計、真空系統、氬氣系統、測量系統和控制系統等。回路主管道直徑100 mm,材料采用 T91商用馬氏體鋼。實驗段回路示意圖如圖1所示。

(1)鉛鉍合金儲存罐位于回路最底部,罐外布置有電加熱器,用以將固態鉛鉍合金加熱成液態。

(2)靶實驗模塊是開展實驗的區域,其基本結構設計參數與DEMO無窗靶方案類似,以先期開展實驗研究。

(3)電磁泵是回路的驅動裝置,為回路提供適當的動力,并實現流量調節的功能,同時用以維持自由液面的形成。

(4)真空系統將靶實驗模塊的中心管道抽真空到10 Pa,用以模擬散裂靶質子束管的真空環境。

圖1 實驗回路示意圖Fig.1 Sketch of the experimental loop

(5)氬氣系統在實驗開始時可將儲存罐中已熔化的液態鉛鉍壓入到回路中,在實驗結束后將管道中的液態鉛鉍合金排回入儲存罐。

實驗停止期間,鉛鉍合金以固態形式儲存在儲存罐內。進行實驗前,先將儲存罐內的鉛鉍合金預熱至200℃(鉛鉍合金熔點125℃),然后通過氬氣系統將儲存罐內的液態鉛鉍合金壓至回路內,開始實驗。

1.3 靶實驗模塊設計

液態無窗靶的主要結構布局為雙層同心管結構,內層圓管為質子束流導管,內外層圓管之間為LBE流體通道。流體從內外層導管之間進入,向下流入散裂區,并要求在內管中心區域形成自由液面。由于自由液面上層區域幾乎為真空環境,為了避免LBE向上涌入質子束管,破壞真空環境,必須通過調整靶區導管的形狀和流體進出口壓力邊界條件,在靶區的上方和下方同時形成自由液面。靶區下方自由液面的形成和控制是整個散裂靶設計的關鍵,它直接影響著散裂靶的形狀以及穩定性。將外層導管設計成噴嘴形狀,并在內外層導管之間加裝導流板是解決自由液面形成和控制難題的主要方式。因此,在設計無窗靶水力學驗證裝置時,重點研究導管間隙和噴嘴角度對自由液面的影響。圖2給出了靶實驗段的設計方案。

如果兩層導管之間流道間隙過小將導致靶區液體流速和主管道中的液體流速存在較大的速度差,增大了流動阻力,會對驅動系統提出更高的要求。同時會在質子束管口形成一個擾動的自由液面,影響質子束管的真空度。而若流道間隙過大,在同等質量流量的條件下液體流速太小,則很難在靶區下方形成自由液面[9]。本實驗模塊針對FDS團隊開展的散裂靶概念設計參數,同時參考國際上主要設計方案,內層導管流道間隙為200 mm,外層流道之間加裝可調節直徑的導流板用來控制自由液面的形成。

除了流道間隙會對自由液面造成影響之外,噴嘴角度也會影響自由液面的形成和控制。如果噴嘴角度過小,則不利于維持中心質子束導管上自由液面的高度。而較大的噴嘴角度則可能導致散裂反應有效體積區域減小,不利于散裂中子的產生。由IPU L的汞回路實驗研究結果可以看出,噴嘴角度為16.5°時可以得到較好的結果[9],本實驗段的噴嘴角度基準選取為16.5°,依此基準改變角度開展實驗,研究真實鉛鉍流動環境條件下不同噴嘴角度對靶區自由液面和靶區形狀的影響。

1.4 測量方法

為觀測到不同實驗條件下,自由液面和空腔的形狀,本實驗采用X射線探測的方式檢測。根據X射線穿透被測物時的強度衰減來進行轉換測量厚度,從而檢測不透明管道內流體的流動和自由液面的形狀。

采用電磁流量計測量液態鉛鉍的流量,依據實驗需求,可在不同實驗段進行添加。

液面液位可采用數字溫度傳感器作溫度補償的超聲波液位計進行測量,它是通過單片機控制超聲傳感器連續發射超聲波測量液位的。

1.5 實驗方案

根據研究內容和目的的不同,設計如下主要實驗方案：

(1)冷卻劑入口管道數量對自由液面影響實驗

為了研究流體流入的不均勻性對自由液面的形成的影響,實驗設置6個冷卻劑入口管道,每個管道入口直徑100 mm。回路的6個入口管道與靶豎直管道外管采用焊接方式連接,且均勻分布在豎直管道的周圍,實驗通過控制管道閥門分別開展不同入口(2個、3個、4個和6個)管道數量對自由液面控制的影響實驗。

(2)不同噴嘴角度對自由液面影響實驗

圖2 靶實驗模塊設計圖Fig.2 2-D experimentmodule of the window less target

靶實驗模塊中噴嘴角度對自由液面的形成具有重要影響。為形成良好的自由液面,在噴嘴角度基準設計的基礎上改變噴嘴角度,得到合理的角度方案。在同一流量條件下,實驗裝置的噴嘴角度可分別選取 25°、20°、18°、16.5°、15°,觀測液面形成情況,對比分析實驗結果,得出優化的噴嘴角度。

(3)流動速度對自由液面影響實驗

自由液面的形成和液位高度隨著冷卻劑入口流速的不同而發生變化。在無窗靶的設計冷卻劑流量(1.78 m/s)實驗的基礎上,通過改變外層流道入口冷卻劑間隙,改變冷卻劑流速,研究入口流速對自由液面的形成和控制的影響規律,優化入口冷卻劑流速。

2 結論

給出了液態無窗靶水力學原理驗證實驗段的設計目標和初步設計參數及建議實驗方案。

(1)靶實驗模塊的噴嘴結構和徑向尺寸的基本結構與無窗靶的概念設計參數相同,以最大程度地模擬無窗靶的流動環境。

(2)實驗通過調整入口管道數量、冷卻劑流速、噴嘴角度等參數研究無窗靶自由液面的形成及其影響因素,為最終設計出自由液面穩定可控的無窗靶提供支持。

(3)自由液面和空腔的形狀可采用X射線探測的方式進行觀測與分析。

下一步工作將開展數值模擬,對設計進行進一步優化,同時在液態鉛鉍堆芯綜合模擬實驗平臺上建造本實驗段開展實驗研究,為ADS無窗靶設計及優化提供理論與技術支持。

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