液态锂型中子转换靶若干关键问题研究

There are many applications of neutron in radioactive isotopes, neutron reactions and material research for nuclear energy systems. The neutron source could be drove by intensity ion accelerator. Ion beam with high power will be used to bombard converter target to generate neutrons. In the driver LINAC, to achieve the high neutron flux, there will be very large energy deposition density (hundreds kW/cm2) loading on the small area of the target. One of the challenges is to develop a target that withstands such extreme thermal loads from powerful ion beam bombardment. Liquid lithium technology has been proposed to solve this problem in accelerator driven neutron converter target station. The liquid lithium target is good alternative due to its preferable nuclearand thermal properties. In our project, some issues about the liquid lithium target will be researched. Calculations were performed to obtain the shape of free surface of flowing liquid lithium, the influence of target components such as nozzle to the free surface, the interaction of the high power ion beam and the free surface of liquid lithium, the heat distribution of target.The results will be used to support the design of windowless target toensure the formation of a stabIe free surface with desirabIe shape.

中子核科学在放射性同位素生产、中子物理、核能材料研究、核安全领域研究具有重要应用。加速器中子源可以产生具有一定能谱的中子。由于实验中往往需要较高的中子通量，因此要求带电粒子束具备较高的流强。束流能量较高时，高功率的束流轰击小面积靶，其功率密度将达几百kW/cm^2，这对靶的抗负载能力提出了极高的要求。液态锂由于具有良好的中子学性能、抗辐照性能和传热性能，是目前中子液态靶材并兼做冷却剂的主要候选材料。本课题针对液态锂中子转换靶的研究现状，主要围绕加速器中子源高功率中子转换靶中液态锂自由液面形态，强流离子束与自由液面相互作用，热力学分布等问题展开模拟和实验研究,构建理论模型，对无窗靶件内部自由界面的形态和特性进行数值模拟，模拟不同流速，锂喷嘴和导向板尺寸等参数下，液态锂的流体形貌，表面稳定性，从而为未来高功率中子转换靶的研制提供更多的理论指导和数据基础。

能够承受高功率束流轰击的中子转化靶是核科学领域中放射性核素、核能材料测评和中子核数据等方向迫切的装置需求之一，而液态锂靶是满足这一需求的重要技术之一。由于目前国内尚缺乏对液态锂靶技术的研究，本项目针对这一需求，对加速器液态锂型中子转化靶的若干问题展开了研究。研究过程中积累的数据和经验，将为未来液态锂型中子转化靶的概念设计和工程设计提供参考和思路。. 利用工作站和服务器对液态锂靶模型的自由液面稳定性、束流功率热沉积分布进行了模拟计算，并对设计模型进行了优化。研究了流体流速、导向板尺寸、束斑形状、真空度等设计参数对计算结果的影响。对比了不同湍流模型对计算结果的影响，并针对液锂靶研究需求构建了束流功率沉积和自由流场的耦合方法。通过研究发现，(1) 自由液面的稳定性可以通过增加流速(15-20 m/s)和导向板曲率半径(400-800mm)来提高，但同时会影响流体热稳定性；(2) 采用增加真空压强和导向板曲直结合的方式可以有效降低液锂温升，避免液锂沸腾。. 在本基金项目的支持下，项目组参加4次国内学术会议，1次国际学术会议，并通过与国内外从事液态金属回路研究的项目组的交流，为下一步液锂靶的原型机设计建立了合作基础。通过本课题执行，协助培养博士生1名，指导本科生科研课题3项。