液态铅铋实验平台无窗靶水力学原理验证实验段设计研究

祝玲琳,柏云清,陈 钊,何梅生,盛美玲,姚 曦,汪卫华,高 胜,陈红丽,黄群英,吴宜灿,FDS团队

(1.中国科学院等离子体物理研究所,安徽 合肥 230031;

2.中国科学技术大学核科学技术学院,安徽 合肥 230027)

加速器驱动次临界系统(ADS)主要由质子加速器、散裂靶、次临界反应堆3个部分组成。散裂靶作为连接加速器和次临界堆的关键部件,受到高能质子轰击,同时承受着高温和强中子辐照,对靶材的要求较高。液态铅铋合金(LBE,Lead-Bismuth Eutectic)由于具有良好的中子学性能、抗辐照性能和传热性能,并且其熔点低、沸点高,使散裂靶系统可选择的运行温度和压力较低,是目前ADS散裂靶材并兼做冷却剂的主要候选材料[1-5]。

根据质子束真空和液态散裂靶材料LBE之间的界面类型的不同,散裂靶主要分为有窗靶和无窗靶两类。其中,有窗靶的束窗由于受到高能、高流强质子轰击和强中子辐照,寿命和系统的安全性受到直接的考验。而无窗靶中,质子束直接撞击液态铅铋靶,液态铅铋直接接触束管真空,在束真空和靶区之间形成自由液面。因此,无窗靶与有窗靶相比具有以下优点：不存在靶窗的冷却和质子能量减小的问题;无需承受高能质子和强中子辐照的窗结构材料,靶单元寿命可与燃料组件相匹配[6]。然而,无窗靶自由液面的不稳定性可能会影响中子分布及次临界堆的物理和热工性能。因此,自由液面的形成和控制是无窗靶设计的关键问题之一。

基于前期液态合金回路方面的设计和运行经验[7-8],FDS团队正在开展ADS示范堆DEMO概念及液态铅铋堆芯综合模拟实验平台设计研究,为了验证DEMO堆液态铅铋散裂靶设计方案的合理性,优化设计方案,需要开展液态铅铋流动和自由液面形成的水力学原理实验研究。目前,国际上对液态无窗靶的水力学研究主要是利用水和汞作为工质来模拟开展实验[9]。比利时的鲁文大学 UCL开展了水实验[9];SCK◦CEN设计了建造在拉脱维亚大学物理研究所IPUL的汞实验回路[9]。相关实验和模拟结果表明,喷嘴角度对自由液面的形成和稳定性有重要影响[9]。FDS团队正在开展ADS示范堆系统及无窗靶概念相关设计,同时设计了无窗靶水力学原理验证实验段以验证设计方案的可行性。验证实验采用液态铅铋合金作为工作介质,计划在FDS团队自主研发的液态铅铋堆芯综合模拟实验平台KYLIN-Ⅲ上开展相关实验。

本文给出了无窗靶水力学原理验证实验段的初步设计方案,描述了回路系统各主要部件的功能和参数,同时详细介绍了靶实验模块的各个组件(喷嘴和冷却剂入口管道等)及实验方案的主要思路。

1 方案设计研究

1.1 设计目标

无窗靶水力学验证实验段主要用于研究无窗靶束管真空和液态铅铋靶之间自由液面的形成和液面形状的控制技术。本实验段的设计参数及实验方案是基于FDS团队正在开展的ADS反应堆及无窗靶概念设计方案的基础上开展的。

ADS无窗靶概念相关的主要设计参数为：质子束能量为1.5 GeV,电流为10m A;束管内径200 mm;冷却剂进口温度230℃,冷却剂流速1.78 m/s,由1个机械泵和1个电磁泵驱动。LBE形成1个闭合回路,可实现带走靶区沉积热量和形成适当的自由液面以维持束管真空两大功能。

在无窗靶概念设计的基础上,提出了水力学原理验证实验段的设计目标主要包括以下几个方面：

(1)提供可稳定流入靶区的LBE流体,并营造自由表面上方的真空环境,建立无窗靶自由液面形成的环境。

(2)设计合适的喷嘴结构,达到优化液态铅铋流动和减小空腔的目的,得到合适的自由液面。

(3)选择合适的测量方法,观测液态铅铋自由液面的形状和液面高度,得到相关水力学参数,为无窗靶优化设计提供依据。

1.2 回路系统概述

本实验回路的主要部件包括靶实验模块、LBE储存罐、电磁泵、换热器、电磁流量计、真空系统、氩气系统、测量系统和控制系统等。回路主管道直径100 mm,材料采用 T91商用马氏体钢。实验段回路示意图如图1所示。

(1)铅铋合金储存罐位于回路最底部,罐外布置有电加热器,用以将固态铅铋合金加热成液态。

(2)靶实验模块是开展实验的区域,其基本结构设计参数与DEMO无窗靶方案类似,以先期开展实验研究。

(3)电磁泵是回路的驱动装置,为回路提供适当的动力,并实现流量调节的功能,同时用以维持自由液面的形成。

(4)真空系统将靶实验模块的中心管道抽真空到10 Pa,用以模拟散裂靶质子束管的真空环境。

图1 实验回路示意图Fig.1 Sketch of the experimental loop

(5)氩气系统在实验开始时可将储存罐中已熔化的液态铅铋压入到回路中,在实验结束后将管道中的液态铅铋合金排回入储存罐。

实验停止期间,铅铋合金以固态形式储存在储存罐内。进行实验前,先将储存罐内的铅铋合金预热至200℃(铅铋合金熔点125℃),然后通过氩气系统将储存罐内的液态铅铋合金压至回路内,开始实验。

1.3 靶实验模块设计

液态无窗靶的主要结构布局为双层同心管结构,内层圆管为质子束流导管,内外层圆管之间为LBE流体通道。流体从内外层导管之间进入,向下流入散裂区,并要求在内管中心区域形成自由液面。由于自由液面上层区域几乎为真空环境,为了避免LBE向上涌入质子束管,破坏真空环境,必须通过调整靶区导管的形状和流体进出口压力边界条件,在靶区的上方和下方同时形成自由液面。靶区下方自由液面的形成和控制是整个散裂靶设计的关键,它直接影响着散裂靶的形状以及稳定性。将外层导管设计成喷嘴形状,并在内外层导管之间加装导流板是解决自由液面形成和控制难题的主要方式。因此,在设计无窗靶水力学验证装置时,重点研究导管间隙和喷嘴角度对自由液面的影响。图2给出了靶实验段的设计方案。

如果两层导管之间流道间隙过小将导致靶区液体流速和主管道中的液体流速存在较大的速度差,增大了流动阻力,会对驱动系统提出更高的要求。同时会在质子束管口形成一个扰动的自由液面,影响质子束管的真空度。而若流道间隙过大,在同等质量流量的条件下液体流速太小,则很难在靶区下方形成自由液面[9]。本实验模块针对FDS团队开展的散裂靶概念设计参数,同时参考国际上主要设计方案,内层导管流道间隙为200 mm,外层流道之间加装可调节直径的导流板用来控制自由液面的形成。

除了流道间隙会对自由液面造成影响之外,喷嘴角度也会影响自由液面的形成和控制。如果喷嘴角度过小,则不利于维持中心质子束导管上自由液面的高度。而较大的喷嘴角度则可能导致散裂反应有效体积区域减小,不利于散裂中子的产生。由IPU L的汞回路实验研究结果可以看出,喷嘴角度为16.5°时可以得到较好的结果[9],本实验段的喷嘴角度基准选取为16.5°,依此基准改变角度开展实验,研究真实铅铋流动环境条件下不同喷嘴角度对靶区自由液面和靶区形状的影响。

1.4 测量方法

为观测到不同实验条件下,自由液面和空腔的形状,本实验采用X射线探测的方式检测。根据X射线穿透被测物时的强度衰减来进行转换测量厚度,从而检测不透明管道内流体的流动和自由液面的形状。

采用电磁流量计测量液态铅铋的流量,依据实验需求,可在不同实验段进行添加。

液面液位可采用数字温度传感器作温度补偿的超声波液位计进行测量,它是通过单片机控制超声传感器连续发射超声波测量液位的。

1.5 实验方案

根据研究内容和目的的不同,设计如下主要实验方案：

(1)冷却剂入口管道数量对自由液面影响实验

为了研究流体流入的不均匀性对自由液面的形成的影响,实验设置6个冷却剂入口管道,每个管道入口直径100 mm。回路的6个入口管道与靶竖直管道外管采用焊接方式连接,且均匀分布在竖直管道的周围,实验通过控制管道阀门分别开展不同入口(2个、3个、4个和6个)管道数量对自由液面控制的影响实验。

(2)不同喷嘴角度对自由液面影响实验

图2 靶实验模块设计图Fig.2 2-D experimentmodule of the window less target

靶实验模块中喷嘴角度对自由液面的形成具有重要影响。为形成良好的自由液面,在喷嘴角度基准设计的基础上改变喷嘴角度,得到合理的角度方案。在同一流量条件下,实验装置的喷嘴角度可分别选取 25°、20°、18°、16.5°、15°,观测液面形成情况,对比分析实验结果,得出优化的喷嘴角度。

(3)流动速度对自由液面影响实验

自由液面的形成和液位高度随着冷却剂入口流速的不同而发生变化。在无窗靶的设计冷却剂流量(1.78 m/s)实验的基础上,通过改变外层流道入口冷却剂间隙,改变冷却剂流速,研究入口流速对自由液面的形成和控制的影响规律,优化入口冷却剂流速。

2 结论

给出了液态无窗靶水力学原理验证实验段的设计目标和初步设计参数及建议实验方案。

(1)靶实验模块的喷嘴结构和径向尺寸的基本结构与无窗靶的概念设计参数相同,以最大程度地模拟无窗靶的流动环境。

(2)实验通过调整入口管道数量、冷却剂流速、喷嘴角度等参数研究无窗靶自由液面的形成及其影响因素,为最终设计出自由液面稳定可控的无窗靶提供支持。

(3)自由液面和空腔的形状可采用X射线探测的方式进行观测与分析。

下一步工作将开展数值模拟,对设计进行进一步优化,同时在液态铅铋堆芯综合模拟实验平台上建造本实验段开展实验研究,为ADS无窗靶设计及优化提供理论与技术支持。

[1] Rubbia C,et al.Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Am plifier[J].CERN/A T/95-44(ET),Sep t.29,1995.

[2] Man tha V,Chaudhary R.Intense heat simu lation studies on window of high density liquid metal spallation targetmodule for accelerator driven systems[J].International Journal of H eat and Mass Transfer, 2006,49：3728-3745.

[3] Michelato P,Cavaliere E.Vacuum In terface Analysisof a Window less Spallation Target for Accelerator-Driven Systems[J].Nuclear Science and Engineering,2007,157：95-109.

[4] Chungho Cho,Nam-il Tak,et al.CFD analysis of the H YPER spallation target[J].Annals of Nuclear Energy,2008,35：1256-1263.

[5] 罗璋琳.核废料核素价值研究(续完)[J].原子能科学技术,2004,38(5)：477-480.

[6] Cinotti L.Neg rini-Ansaldo A.Design of A Window less Target Unit for The Xads Lead-Bismuth Cooled System[J].

[7] 吴宜灿,黄群英,朱志强,等.中国系列液态锂铅实验回路设计与研制进展[J].核科学与工程,2009,29(2)：163-171.

[8] 吴宜灿,黄群英,柏云清,等.液态铅铋回路设计研制与材料腐蚀实验初步研究[J].核科学与工程,2010,30(3)：49-54.

[9] Katrien Van Tichelen.MYRRHA：Design and Verification Experiments for the Window less Spallation Target of the ADSPrototypeM YRRHA[J].2003.