ADS流态固体散裂靶中钨球颗粒流动及热输运的机理研究

The spallation target connects the proton accelerator and the subcritical reactor core and is regarded as the ‘heart’ of the accelerator driven system (ADS). The fluidized solid target is proposed as candidate design for Chinese ADS spallation target in 2013. Typical multiphase heat and mass transfer problems occur during the tungsten spherical particles' flowing process, such as design and optimization of the structure, heat exchange between the tungsten spheres and tungsten spheres, helium gas and container wall, production and transport of volumetric heat source for the spallation reaction between the proton beam and the tungsten spheres.These problems focus on the key scientific and technological issues which are of critical importance for the optimization and future long-term, stable, safe operation of ADS. So the basic research, including simulation of the tungsten spherical particles' flow and force verification experiment, development of theoretical model and numerical simulation of heat conduction,convection and radiation transfer between the tungsten spheres and the spheres, the helium gas and the container wall and natural convection experiment, calculation and transport of the volumetric heat source coupled with the flow, will be carried out in this project. It will develop innovative numerical methods and softwares correspondingly and obtain new laws about the physical processes in the fluidized solid target and deep understanding on the key factors which influence operation of the ADS. Furthermore, it will also enrich our knowledge of the mutiphase heat and mass transfer and provide theoretical foundation for the ADS fluidized solid target in China. Therefore, this proposed project has great scientific significance and application prospect.

散裂靶系统在加速器驱动次临界堆中连接加速器和反应堆，是核心子系统。流态固体散裂靶是我国2013年提出的候选设计方案，包含许多工程热物理学科及与核物理学科交叉的问题，主要有靶结构设计和优化，钨球颗粒流动及与钨球颗粒、氦气、容器壁间换热，质子束与钨球间散裂反应产生体积热及其输运等，这些都是关系到流态固体靶系统能否长期、稳定、安全运行的关键科学和技术问题。针对这些问题，拟相应开展钨球流动过程模拟实验及作用力模型数值校核，运动钨球与钨球、氦气及壁面间传导、对流和辐射传热数值模拟及自然对流实验，散裂反应体积热核物理计算及与流动耦合输运等机理研究。通过上述基础研究，预期发展算法与软件，获得相关过程的新现象、新知识和新规律，深入认识影响流态固体靶运行的关键因素，丰富工程热物理及与核物理交叉等的学科内容，并为我国ADS流态固体靶的设计、优化和研制提供坚实的理论基础，因此具有重要学术价值和重大应用前景。

散裂靶系统在加速器驱动次临界堆中连接加速器和反应堆，是核心子系统。流态固体散裂靶包含许多工程热物理学科及与核物理学科交叉的问题，主要有靶结构设计和优化，钨球颗粒流动及与钨球颗粒、氦气、容器壁间换热，质子束与钨球间散裂反应产生体积热及其输运等。针对这些问题，拟相应开展钨球流动过程模拟实验及作用力模型数值校核，运动钨球与钨球、氦气及壁面间传导、对流和辐射传热数值模拟及自然对流实验，散裂反应体积热核物理计算及与流动耦合输运等机理研究。 .靶体斜壁的角度是影响颗粒角速度与流速的主要因素。倾角较大使颗粒流整体的流速增加，若出口直径较小或颗粒粒径较大时，颗粒在出口处易形成淤积导致其滞留靶体。颗粒粒径的变化对颗粒流整体的速度分布无明显影响，但粒径较大的颗粒受到的摩擦力更大，导致颗粒能量消耗会增多而影响颗粒的流速。.与单球相比，对应Gr数下的水平两球和水平三球的(Nu) ̅处在更低的水平，且水平三球的(Nu) ̅更小。这种整体换热弱化是因为多球的换热互相影响导致的，所以水平三球的换热速率弱化更加明显。且随着Gr数的增加，更大的温度梯度和速度梯度减小该换热弱化效应，水平两球的(Nu) ̅数从单球的78.94%（Gr=10）增长为99.01%（Gr=10^6），水平三球的(Nu) ̅数从单球的64.69%（Gr=10增长为92.45%（Gr=10^5）。.对于顺排布置的水平单层球，Nu的整体水平随着排列数的增大而逐渐增大，并且单层球间隙处的负压梯度使得上游区域内的变化更加明显。N的增加导致多球之间的换热影响逐渐加强，相邻排列数下(Nu) ̅的差异随着N的增加而降低，即曲线斜率逐渐降低，通过拟合得到的(Nu) ̅关联式预测极限情况下单层球的中心球的(Nu) ̅数为4.1628。.上述颗粒流动研究为ADS流态固体靶的设计和优化提供了可靠的依据，特别是对未来中国ADS的研究和应用具有重要的学术和应用参考价值。球形颗粒自然对流换热的数值模拟拓展了自然对流换热领域的相关知识，经验关联式的提出能够为应用球形颗粒的工业设计和换热提供精确的参考。