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ADS液态铅铋无窗靶结构设计与流场分析

汇报人：

2024-01-15

引言

ADS液态铅铋无窗靶结构设计

流场分析理论与方法

ADS液态铅铋无窗靶流场分析

实验验证与数据分析

结论与展望

contents

目

录

01

引言

能源危机与核能发展

01

随着全球能源危机日益严重，核能作为一种清洁、高效的能源形式受到广泛关注。加速器驱动次临界系统（ADS）作为核能领域的前沿技术，具有嬗变核废料、产生新能源的双重优势。

液态铅铋合金特性

02

液态铅铋合金具有良好的中子学性能、热物理性能和化学稳定性，是ADS系统中理想的冷却剂和靶材料。

无窗靶结构的重要性

03

无窗靶结构能够消除传统有窗靶中的窗口材料对中子的吸收和散射，提高中子利用率和系统效率。因此，开展ADS液态铅铋无窗靶结构设计与流场分析具有重要的科学意义和应用价值。

国内外研究现状

目前，国内外在ADS液态铅铋无窗靶结构设计方面已取得一定进展，但尚存在诸多挑战，如结构强度、流场稳定性、热工水力性能等问题亟待解决。

发展趋势

随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，未来ADS液态铅铋无窗靶结构设计将更加注重精细化、优化和智能化，以实现更高效、更安全的核能利用。

研究内容

本研究旨在设计一种高效、稳定的ADS液态铅铋无窗靶结构，并通过数值模拟和实验验证其性能。具体内容包括：无窗靶结构设计、流场分析、热工水力性能评估等。

研究方法

采用计算流体动力学（CFD）方法对无窗靶结构进行流场模拟，分析不同结构参数和操作条件下流场的变化规律；运用有限元分析（FEA）方法对结构进行强度校核和优化设计；通过实验手段验证数值模拟结果的准确性和可靠性。

02

ADS液态铅铋无窗靶结构设计

采用无窗靶结构，减少中子泄漏，提高中子利用率；优化靶结构形状和尺寸，以适应液态铅铋的流动和传热特性。

设计理念

主要由靶壳、靶芯、冷却系统、支撑结构等部分组成。其中，靶壳用于容纳液态铅铋，靶芯用于产生中子，冷却系统用于带走热量，支撑结构用于固定和支撑整个靶结构。

结构组成

1

2

3

选用耐高温、耐腐蚀、低活化性的材料，如不锈钢、镍基合金等。同时要考虑材料的机械性能、热稳定性和中子辐照性能。

靶壳材料

选用高丰度、低活化性的材料，如钨、钽等。同时要考虑材料的中子产生效率、热稳定性和机械性能。

靶芯材料

选用液态铅铋作为冷却剂，具有良好的传热性能和中子透过性能。同时要考虑液态铅铋的腐蚀性、流动性和温度稳定性。

冷却剂选择

靶壳设计

采用多层壳体结构，增加强度和刚度；设置导流槽和导流片，优化液态铅铋的流动状态；设置排气孔和泄压装置，确保安全运行。

靶芯设计

采用多层靶芯结构，提高中子产生效率；优化靶芯形状和尺寸，以适应液态铅铋的流动和传热特性；设置支撑结构和固定装置，确保靶芯的稳定性和可靠性。

冷却系统设计

采用强制循环冷却方式，提高冷却效率；设置冷却剂进出口和流量调节装置，实现冷却剂的均匀分配和流量控制；设置温度传感器和压力传感器，实时监测冷却系统的运行状态。

采用有限元分析方法对靶结构进行应力分析和疲劳分析，确保结构强度和刚度满足要求；进行振动测试和冲击测试，验证结构的动态稳定性。

结构安全性评估

建立热工水力模型对液态铅铋的流动和传热过程进行模拟分析，确保温度分布均匀且不超过允许范围；进行热冲击测试和热疲劳测试，验证结构的热稳定性。

热安全性评估

采用蒙特卡罗方法对中子在靶结构中的输运过程进行模拟分析，确保中子泄漏量低于允许值；进行辐照测试和活化分析，验证结构的耐辐照性能。

中子辐照安全性评估

03

流场分析理论与方法

描述流体质量守恒的定律，即单位时间内流入和流出控制体的质量差等于控制体内质量的增量。

连续性方程

描述流体动量守恒的定律，即流体微元中动量的变化率等于作用在该微元上的各种力之和。

动量方程

描述流体能量守恒的定律，即流体微元中能量的变化率等于进入和离开该微元的净热流量与体积力和表面力对微元所做功之和。

能量方程

采用适当的数值方法（如迭代法、直接法等）对离散化后的方程组进行求解，得到各网格节点上的物理量值（如速度、压力、温度等）。

数值求解

对求解得到的物理量进行可视化处理，生成云图、矢量图、流线图等图形结果，以便更直观地分析和理解流场特性。同时，还可以提取特定位置或区域的详细数据，进行进一步的分析和研究。

结果后处理

04

ADS液态铅铋无窗靶流场分析

在稳态条件下，液态铅铋在靶结构内的流动呈现出特定的分布规律，包括速度、压力和温度等参数的分布。

流场分布特性

稳态流场下，液态铅铋的流动相对稳定，无明显的涡流和湍流现象，有利于靶结构的稳定运行。

流动稳定性

在瞬态条件下，液态铅铋的流动状态会随时间发生变化，包括速度、压力和温度等参数的瞬态波动。

瞬态流场下，液态铅铋可能出现涡流、湍流等不稳定