1012 n／s氘氚聚变中子发生器旋转氚靶设计与传热分析

王 刚，于前锋，王 文，宋 钢，吴宜灿，FDS团队

（中国科学院核能安全技术研究所，中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽合肥230031）

聚变反应堆是世界公认的可以永久解决核能可持续发展问题的途径之一。国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）计划是目前世界范围内规模最大的聚变反应堆研究计划。氘氚聚变反应中子发生器产生的中子与ITER产生的中子能量（14.1MeV）相当，可用于模拟聚变堆中子环境，开展聚变堆包层材料辐射损伤和活化分析等相关实验研究，对聚变基础研究中所开展的各类模拟计算及理论分析的正确性和可靠性进行实验验证和校核，用以指导后续的材料改进和计算方法的创新与优化。

在氘氚中子发生器中，氚靶是直接产生中子的关键部件，相同情况下的中子产额越高，氚靶所需承受的热载越大。如何有效地将氚靶上的高热载散去，实现靶的冷却，是氚靶设计和研制的一项重要内容。该项工作涉及传热、机械、材料等相关技术的集成应用。目前，氚靶主要有固定靶、旋转靶和振动靶三种。其中，固定靶主要用于靶面热载相对较小的情况，旋转靶和振动靶主要用于靶面热载较高的情况。现有氚靶的冷却方式主要有直喷水冷却、沟槽水冷却和夹层水冷却等。国际上以美国RTNS-II和俄罗斯SNEG-13为代表的先进中子发生器氚靶表面所承受热功率分别为60kW和20kW，两个靶所采用的都是沟槽水冷却的旋转靶方案［1-3］。

FDS团队在长期从事先进核能相关研究工作的基础上［4-13］，针对HINEG（High Intensity Neutron Generator）中子发生器设计了一种中子产额为1012n／s量级的旋转氚靶。本文对该旋转氚靶设计方案进行介绍，并利用CFD方法对该旋转氚靶的传热进行模拟和分析，以考察其设计是否满足1012n／s量级中子发生器的需求。

1 技术难点与设计方案

对用于1012n／s量级中子发生器HINEG上的氚靶，氚靶片基底材料为铬锆铜，靶片上镀一层很薄的氚钛膜，当氘离子束轰击靶片时，钛膜中的氚与氘离子发生作用产生中子与α粒子，此即氚靶的工作原理。本文研究的氚靶系统靶片上氘离子束的束斑直径为1cm，束流功率强度为2.4kW，因此束斑点处功率密度约为30MW／m2。

由于氘离子束功率绝大部分（99%以上）转化为靶片上的热沉积，若靶片固定不动且不加冷却，在此高功率密度下，势必引起靶片局部温度上升和靶片材料的熔化；另一方面，实验表明，当靶片表面的氚钛膜温度超过200℃时，膜中的氚会大量释放，从而极大降低旋转靶面的中子产额。因此，必须采取必要的技术手段将靶片表面的热载散掉，实现靶片的有效冷却，这也是高载热氚靶系统设计的一个关键之处和技术难点。

针对上述高载热氚靶系统设计的技术难点，本文提出了一种旋转氚靶系统，其总体方案和相关参数参见表1，图1为该旋转靶系统示意图。

表1 旋转靶设计方案和参数Table 1 Design and parameters of rotating target

该氚靶系统的创新之处在于，首次将直喷水冷却、机械水动密封和磁流体真空动密封技术集成应用于旋转氚靶系统，以满足1012n／s量级中子发生器对氚靶散热和机械等方面的设计需求。而该系统解决散热问题的关键技术有两点，即靶片旋转和直喷水冷却。旋转的靶系统可以使靶片上氘离子束轰击点实现循环冷却，一定程度上降低靶片温度；对靶片的冷却方式为冷却水从入水口流向靶片中心处，通过靶片背面对靶片进行冷却后从出水口流出。

图1 旋转氚靶示意图Fig.1 Schematic of rotating tritium target

旋转氚靶各主要部件的功能如下：

旋转靶片：表面镀氚钛膜，用于接收氘离子束的轰击而产生中子。靶片旋转能够更加有效地散掉靶片上沉积的热量；

真空腔体：为氘离子束的传输提供真空环境；

机械密封部件：用于靶片冷却水的旋转动密封，防止水泄漏到靶系统外破坏磁流体部件；

磁流体密封部件：用于靶系统真空腔室的旋转动密封，防止空气进入靶系统真空腔室；

传动部件：通过传动皮带与电机相连，实现靶真空室以及靶片的旋转。

2 传热计算模型

为考察本文提出的旋转靶设计方案是否满足1012n／s量级中子器对靶散热的需求，本文对该方案进行建模和传热过程模拟。使用CATIA对靶系统建立三维实体模型（图2），使用ANSYS ICEM对三维模型划分网格，为了兼顾计算精度和网格的经济性，通过对网格敏感性的分析，最终选取的计算网格数约为30万个，如图3所示。

图2 旋转靶系统三维计算模型Fig.2 3Dcalculation model of rotating target

图3 靶面冷却计算模型网格划分Fig.3 Grids of calculation model for target cooling

对于旋转靶的传热模拟计算，要求解的是一个NS方程控制的共轭传热问题，本文利用ANSYS FLUENT对旋转靶片的传热过程进行模拟，该CFD程序会自动根据选定的流体力学模型以及初始、边界条件进行求解。本文计算采用的主要边界条件如下：

（1）靶点处设置热通量边界条件，热通量的大小用总功率的形式加载，总功率设为2.4kW；

（2）靶片与冷却水之间的边界采用共轭热传输边界条件（第四类边界条件，在边界处热流连续，温度连续）；

（3）流道入口设置为质量流量入口边界，质量流量的大小是5kg／min；

（4）出口边界条件设置成压力出口边界，压力大小为1atm；

（5）在流道入口设置定温边界，温度大小设为5℃。

3 传热模拟与分析

利用第2节中旋转靶计算网格模型进行传热模拟，计算达到稳态后的结果如图4～图6所示。其中，图4和图5为靶系统稳态运行时靶片背面冷却水的流场分布情况。从图中可以看到，流体的最大流动速度约为9.8m／s。

图4 冷却剂横截面流场分布图Fig.4 Cross section of coolant flow distribution

图5 靶背面冷却剂正面流场分布图Fig.5 Front view of coolant flow distribution behind the target

图6为旋转靶片表面温度分布情况。从图6可知，靶片上最高温度为48℃，远低于技术参数指标200℃。这说明，本文提出的旋转氚靶系统的散热方案能够有效地实现靶片的冷却，靶片上氚钛膜最高温度不会超过200℃，因此不会发生氚的大量释放，更不会发生靶片的熔化，该旋转氚靶系统的方案理论上是满足1012n／s量级中子发生器设计需求的。

图6 靶片温度分布图Fig.6 Temperature distribution on target

4 结论

本文设计了一种用于1012n／s量级强流氘氚中子发生器HINEG的旋转氚靶系统，对其研发的技术难点和设计方案进行了介绍，并利用CFD方法对该靶系统的传热过程进行了模拟和分析，重点在于考察该系统冷却方式的可行性。模拟和分析结果表明，在靶系统稳态运行时，靶片上最高温度为48℃，远低于技术参数指标限值200℃，采用的散热方案可有效带走由氘离子束产生的热沉积，因此不会引起氚的大量释放和靶片的熔毁，旋转氚靶系统的设计方案满足1012n／s量级中子发生器的设计需求。

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