液态金属上旋式无窗靶自由液面控制方法研究

Liquid metal spallation target is the key component of Accelerator Driven Sub-critical System (ADS). Windowless target is the preferred type of spallation target and have been widely researched at home and aboard, however, traditional downward falling windowless target can not meet the engineering requirements because of the restrictions of the stability of free surface and the stagnation zone of inverse flow. It is very necessary for working out the problems to develop a new type of windowless target. Upward spiral windowless target in which the free surface generated by dispersing fluid is a new conceptual design of windowless target and is different of the downward falling windowless target in which the free surface generated by converging fluid. For upward spiral target, it is difficult to form inverse flow; the vacuum have little effection on the stability of free surface; the replacement of target is more convenient. Thus, it solves the primary problems in downward falling target and further applies to real engineering requirements. The pricipal task in studying upward spiral target is to research the control methods of the free surface. Numerical simulations and experimental tests will be used in research. The control methods will be mastered by studying the free surface changing with the structure of target, the parameters of fluid and the intensity of the beam current in upward spiral target. Simultaneously, the technology of measuring flow field of liquid metal will be developed. Finally the heat conduction ability of upward spiral target will be analysised under the electronic beam loading.

液态金属散裂靶是加速器驱动的次临界嬗变系统（ADS）中的关键部件。无窗靶是散裂靶中优选的靶型结构，已在国内外得到普遍研究，但是传统的下落式无窗靶受到自由液面稳定性及回流滞止区的制约，很难在实际工程中得到应用。克服这个困难需要开展新型无窗靶的研究。上旋式无窗靶是一种新的无窗靶设计理念，它由流体分散而形成自由液面，改变了传统下落式无窗靶由流体汇聚形成自由液面的方式。这样形成的自由液面不容易形成回流滞止区，自由液面上方的真空环境对液面稳定性影响小，换靶操作也更加方便，从而解决了下落式无窗靶主要存在的问题，比较符合实际工程要求。研究上旋式无窗靶，首要的任务是研究自由液面的控制方法。项目拟使用数值模拟和实验验证的方法，通过研究靶型结构、流动参数、束流强度对液态金属上旋靶自由液面的影响规律，掌握上旋靶自由液面的控制方法，并发展液态金属流场测量技术，最后分析束流耦合下上旋靶的导热能力。

液态金属无窗散裂靶是适用于加速器驱动次临界系统（ADS）的一种更为先进的候选靶型，其自由液面的形成方式影响着靶件内流场分布特性，进而决定了散裂靶系统的功率水平。上旋式无窗散裂靶（简称上旋靶，USFT）使用叶轮产生上旋流并调节内流场分布，利用离心力使流体喷散而形成自由液面。相比于流体向下汇聚的方式，这种自由液面形成方式可以减小液面附近的流动滞止区，提高散裂靶传热性能。本项目主要从模拟设计和实验验证两个方面开展了上旋靶研究，分析了自由液面形成控制方法。.模拟设计分为初步设计和优化设计两个阶段，通过比较分析流场及自由液面分布确定优选靶型参数。初步设计主要针对入流段，即起旋叶轮。作为调控液面及内流场的关键部件，叶轮的几何结构决定着的螺旋流动的方向与强度。通过分析叶轮中轴、叶片的几何结构参数对流场滞止区的影响关系，确定了叶轮优选结构参数并建立优化靶型A（USFT-A）。相比于初始靶型，优化靶型A可以减小滞止区体积约75%。基于优化设计靶型搭建可视化模拟实验系统，进行实验验证。对比液位分布的实验值与模拟值基本一致，验证了模拟方法的有效性。优化设计主要针对发展过渡段及出流段。出流段对于调控自由液面尤为关键。为了进一步减小滞止区，在出流扩口前增加一个缩口，使流体先在缩口处提速，然后经扩口迅速喷散。这种优化可以显著改善流场，极大地减小了自由液面下方的回流滞止区。综合发展过渡段及出流段的优选结构参数建立优化靶型B（USFT-B）。相对于优化靶型A，优化靶型B可以减小滞止区体积约73%。束流耦合下的传热分析表明，同等功率密度下，优化靶型B的热输运能力更强，使用环形束流还可以进一步提高传热能力。.总体来说，通过项目研究得出的优化靶型可以提高传热能力，具有实际工程应用前景。相关研究结果已发表论文并申请专利，为进一步研究上旋靶打下基础。