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12，柏云清1，陈钊²，何梅生1，2，盛美玲²，姚曦²，汪卫华1.2，高胜12，陈红丽1.2，黄群英1-2，吴宜灿1.2，FDS团队1.2
（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，变徽合肥230027）
携要：液态铅链合金无窗靶作为加速器驱动次临界系统（ADS）的核心部件之一，其主要技术难点之一在于液态合金自由液面的形成和控制，需要通过理论分析和实检验证，FDS密队正在开展ADS反应堆 概念和液态怡堆芯综合模拟实验平台的设计和研制工作，元窗靶热工水力学原理验证实验段是综合实验平台中的重要组成部分.本文给出了无窗配水力学原理验证实验段的设计目标和初步参数，对主要部件及实验方案进行了设计研究.
关键词：ADS；无窗靶；液态帕秘合金；实验用路
文章编号：0258-0918（2010)04-0333-05
中国分类号：T1.32 文献标志码：A
Design studies of hydraulic verification test section ofwindowless targetof liquid lead-bismuth eutecticexperimentalplatform
ZHU Ling-lin BAI Yun-qing'- CHEN Zhao* HE Mei-sheng* SHENG Mei-ling' YAO Xi² WANG Wei-hus* GAO Sheng² CHEN Hong-li²- HUANG Qun-ying WU Yi-can FDS Team
(1. Institute of Flsms Fhypsies Chinee Aeadmy of Seiences Hefei of Anhi Pros. 230031 Chins;2. Schocl of Nuclear Science and Technology Usivenity of Ssriemct andTerthnology of China. Hefei of Anhui Prov. 230027 China)
Abstract;As one of the key ponents of the accelerator driven system ( ADS)， theformation and control of the free surface is one of the key issues in the design of the windowless target which needs the theoretical analysis and experimental verification.FDS team is launching the conceptual design of ADS reactor and is developing theintegrative experimental platform of liquid lead-bisrmuth euteetic technology. The hydraulie
verification facility for windowless spallation target is an important part of the platform.In this paper the aim of the design and major parameters of the facility were described and the major ponents and experimental schemes were presented.
Key words:accelerator driven system; windowless target; lead-bismuth eutectic;experimental loop
加速器驱动次临界系统（ADS）主要由质和稳定性有重要影响.FDS团队正在开展成.散裂靶作为连接加速器和次临界堆的关键设计了无窗靶水力学原理验证实验段以验证设 子加速器、散裂靶、次临界反应堆3个部分组ADS示范堆系统及无窗靶概念相关设计，同时计方案的可行性，验证实验采用液态铅键合金中子辐照，对靶材的要求较高.液态铅秘合金作为工作介质，计划在FDS团队自主研发的液(LBE，Lead-BismuthEuteetic）由于具有良好态铅堆芯综合模拟实验平台KYLIN-Ⅲ上开 展相关实验.
部件，受到高能质子轰击，同时承受者高湿和强的中子学性能、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
本文给出了无窗杷水力学原理验证实验段的初步设计方案，描述了国路系统各主要部件各个组件（喷嘴和冷却剂人口管道等）及实验方 的功能和参数，同时详细介绍了靶实验模块的案的主要思路.
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.面无窗靶中，质子束直接击液态铅靶，液态铅直接接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，靶单反应堆及无窗靶概念设计方案的基础上开展的.元寿命可与燃料组件相匹配.然面，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，自由液画的形成 和控制是无窗靶设计的关键问题之一.
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触束管真空，在束真空和靶区之间形成自由液窗靶束管真空和液态铅靶之间自由液面的形面，因此，无窗靶与有窗靶相比具有以下优点：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
ADS无窗靶概念相关的主要设计参数为：质子束能量为1.5GeV，电流为10mA；束管流速1.78m/s.由1个机械泵和1个电磁系驱动.LBE形成1个闭合回路，可实现带走靶区经验，FDS团队正在开展ADS示范堆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，
基于前期液态合金回路方面的设计和运行DEMO概念及液态铅银堆芯综合模拟实验平液态铅流动和自由液面形成的水力学原理实个方面：验研究，目前，国际上对液态无窗靶的水力学验.比利时的鲁文大学UCL开展了水实由液面形成的环境. 研究主要是利用水和录作为工质来模拟开展实营造自由表面上方的真空环境，建立无窗靶自验；SCKCEN设计了建造在拉脱维亚大学和模拟结果表明，喷嘴角度对自由液面的形成液面.
在无窗靶概念设计的基础上，提出了水力靶设计方案的合理性，优化设计方案，需要开展学原理验证实验段的设计目标主要包括以下几
（1）提供可稳定流人靶区的LBE流体，井
（2）设计合适的喷嘴结构，达到优化藏态物理研究所IPUL的乘实验回路，相关实验铅锤流动和减小空腔的目的，得到合适的自由
1.2回路系统概述
1.3靶实验模块设计
（3）选择合适的测量方法，观测液态铅参数，为无窗靶优化设计提供依据. 自由液面的形状和液面高度，得到相关水力学
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、氢气系统、测量系统和控制系统等.回 路主管道直径100mm，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，用以将固态铅链合金加热
已熔化的液态铅压人到回路中，在实验结束 （5）氢气系统在实验开始时可将储存罐中后将管道中的液态铅合金排目人储存罐.
实验停止期间，铅合金以固态形式储存秘合金预热至200C（铅合金熔点125C）， 在储存罐内.进行实验前，先将储存罐内的铅然后通过氢气系统将储存罐内的液态铅合金压至回路内，开始实验.
结构，内层圆管为质子束流导管，内外层圆管之 液态无窗靶的主要结构布局为双层同心管间为LBE流体通道，流体从内外层导管之间进人，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向上涵人质子束管，
成液态.
Fig. 1 Sketch of the experiental loog 图1实验回路示意图
本结构设计参数与DEMO无窗靶方案类似，以 （2）靶实验模块是开展实验的区域，其基先期开展实验研究.
（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10Pa，用以模拟散裂靶质子束管的真空环境.
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，重点研究导管间晾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的自由液面，影响质子束管的真空度.面若流 高的要求.同时会在质子束管口形成一个扰动
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”.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，内层导管流道间为200mm，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.
外，喷嘴角度也会影响自由液面的形成和控制. 除了流道间会对自由液面造成影响之如果喷嘴角度过小，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 激裂中子的产生.由IPUL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”，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，自由液面和空测.根据X射线穿透被测物时的强度衰减来 腔的形状，本实验采用X射线探测的方式检进行转换测量厚度，从面检测不透明管道内流体的流动和自由液面的形状，
图2实验模块设计图Fig. 2 2-D experiment module of thewindowless 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 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，
据实验需求，可在不同实验段进行添加， 采用电磁流量计测量液态铅够的流量依
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：
（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人口流速的不同面发生变化，在无窗靶的设计冷 却剂流量（1.78m/s）实验的基础上，通过改变外层流道人口冷却剂间露，改变冷却剂流速，研究人口流速对自由液面的彩成和控制的影响规律，优化人口冷却剂流速.
实验 （1）冷却剂人口管道数量对自由液面影响
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个冷却剂人口管通，每个管道人口直径100mm，回路的6个人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图，实验通过控制管道门分别开展不同人口（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.
336 （2）不同喷嘴角度对自由液面影响实验
（1）靶实验模块的喷嘴结构和径向尺寸的
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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.
流速、喷嘴角度等参数研究无窗靶自由液面的 （2）实验通过调整人口管道数量、冷却剂形成及其影响因素，为最终设计出自由液面稳定可控的无窗靶提供支持.
探测的方式进行观测与分析. （3）自由液面和空腔的形状可采用X射线
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无窑靶设计及优化提供理论与技术支持.
参考文献：
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