專利名稱:加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及核設(shè)施中的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)，具體地，涉及一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)是國(guó)際上近年來進(jìn)行研究建設(shè)的一種新型核設(shè)施，這一設(shè)施是能夠提供超高強(qiáng)度中子源、進(jìn)行相關(guān)核試驗(yàn)、并集處理核廢料和核反應(yīng)發(fā)電于一身的未來核工業(yè)新星。
ADS系統(tǒng)主要由強(qiáng)流質(zhì)子加速器、散裂靶件及次臨界堆芯三部分組成。該系統(tǒng)是一個(gè)通過強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生束流，束流作用于重金屬靶件而發(fā)生核散裂反應(yīng)的過程，在這一過程中能夠產(chǎn)生大量高能中子，供試驗(yàn)和核廢料嬗變使用。為了能夠提高核散裂反應(yīng)的強(qiáng)度，提供更高通量的高能中子，需要更大的束流功率，這就需要更加穩(wěn)定，更加有效散熱的散裂靶件。目前，散裂靶件主要分為:固態(tài)散裂靶及液態(tài)散裂靶兩類，其中液態(tài)散裂靶又分為有窗液態(tài)散裂靶和無窗液態(tài)散裂靶兩種。固態(tài)靶在加速器強(qiáng)束流作用下會(huì)發(fā)生脆化、腫脹、融化等現(xiàn)象，無法適應(yīng)強(qiáng)流散裂靶長(zhǎng)期工作，而液態(tài)靶在使用過程中如果靠束窗隔絕液態(tài)自由液面和加速器束流管道則稱為液態(tài)有窗靶，其窗體材料為固體，仍面臨固態(tài)靶中的相同問題，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性無法保證。無窗液態(tài)散裂靶既能夠通過循環(huán)散熱維持結(jié)構(gòu)部件的穩(wěn)定，又能夠解決散裂靶束窗的損壞問題，近年來得到核科學(xué)專家的青睞。
但無窗液態(tài)散裂靶在實(shí)際應(yīng)用仍存在一些問題，其中最重要的就是與加速器的耦合問題。加速器是通過強(qiáng)電磁場(chǎng)加速帶電粒子獲得極高能量的精密科學(xué)裝置，在其運(yùn)行時(shí)為了維持帶電粒子的良好運(yùn)行狀態(tài)，加速器裝置需要運(yùn)行在極高的真空條件下，通常在運(yùn)行時(shí)都要和外界進(jìn)行隔離，而在無窗靶的工作條件下，是無法使用束流窗進(jìn)行隔離的。這一方面是散裂靶運(yùn)行時(shí)，散裂反應(yīng)中可能產(chǎn)生的氣體和散裂靶高溫產(chǎn)生的蒸氣對(duì)加速器的威脅，另一方面是加速器運(yùn)行的真空環(huán)境也使散裂靶必須處在真空狀態(tài)下工作。因此，就帶來了加速器與散裂靶耦合工作的問題。
目前雖已實(shí)用新型了數(shù)種使用自由液面的散裂靶件，但其在真實(shí)ADS系統(tǒng)中仍存在許多問題:(I )、已有靶型于供流段真空環(huán)境下，液態(tài)金屬在垂直管道中流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定真空區(qū)；(2)、形成的自由液面在加速器束流的作用下會(huì)產(chǎn)生蒸氣與嬗變氣體，而已有靶型設(shè)計(jì)并未對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，這樣的散裂靶件無法在實(shí)際應(yīng)用中與加速器進(jìn)行連接；(3)、已有靶型的自由液面通過下方氣體壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是這樣的調(diào)節(jié)比較間接，在ADS靶實(shí)際運(yùn)行過程中由于本區(qū)域自然產(chǎn)生的空區(qū)均為真空，如果通過在下方充入氣體增加壓力，只能使得上部液面升高，并且會(huì)在下方區(qū)域的液體注入過程中帶入氣泡，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來不穩(wěn)定因素。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于，針對(duì)上述問題，提出一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)消除真空條件下無法滿足穩(wěn)定垂直流動(dòng)的難題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，包括入口滯流起旋段、錐形匯流管和有壓質(zhì)子束入射管，所述入口滯流起旋段、錐形匯流管形成貫通的流體通道，在入口滯流起旋段注入金屬液體，該金屬液體在流體通道內(nèi)形成自由液面，所述流體通道中自由液面的上部裝置有壓質(zhì)子束入射管，所述有壓質(zhì)子束入射管通過等離子體氣壓差分裝置與加速器束流管相連接，所述入口滯流起旋段的內(nèi)壁上設(shè)置滯流起旋肋片環(huán)；
所述入口滯流起旋段:為金屬液體注入錐形匯聚管提供穩(wěn)定的入口流動(dòng)條件；
所述錐形匯流管:設(shè)置在入口滯流起旋段下部，將入口滯流起旋段流入的流體以預(yù)設(shè)錐形角度匯聚，進(jìn)而形成自由液面；
所述有壓質(zhì)子束入射管:管內(nèi)空間與自由液面相連通，管內(nèi)充入氣體形成壓力，用來控制上述自由液面，并通過等離子體氣壓差分裝置與上方的加速器束流管道相連，以此種方式解決加速器束流管道所需真空運(yùn)行環(huán)境及其與散裂靶運(yùn)行環(huán)境之間的耦合問題。
根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，所述滯流起旋肋片環(huán)包括肋片和圓形骨架，所述肋片側(cè)緣連接在圓形骨架上，所述肋片與圓形骨架軸向的夾角為可調(diào)的，其夾角調(diào)節(jié)范圍為O。至30°。
根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，所述入口滯流起旋段是由圓柱入口管內(nèi)壁和有壓質(zhì)子束入射管外壁形成的環(huán)形流體通道。
根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，所述錐形匯流管的錐形壁面與錐形匯流管軸向的角度為5°至30°。
根據(jù)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，所述有壓質(zhì)子束入射管內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié)范圍為
O -104 Pa。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案，提供一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，在入口滯流起旋段設(shè)置滯流起旋肋片環(huán)，滯流起旋肋片環(huán)的上下方流體壓差大于其自身液位靜力壓差，保證了流體在真空環(huán)境下垂直穩(wěn)定流動(dòng)，而通過調(diào)節(jié)有壓質(zhì)子束入射管中的氣壓，消除無法參與循環(huán)流動(dòng)的環(huán)流區(qū)，并且進(jìn)一步降低自由液面，達(dá)到了消除真空條件下無法滿足穩(wěn)定垂直流動(dòng)的目的，解決了散裂靶件在ADS實(shí)用裝置中的穩(wěn)定接合問題。
下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)剖視圖；
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)中滯流起旋肋片環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)中等離子體氣壓差分裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為圖4所示的等離子體氣壓差分裝置的俯視圖；
圖6為圖4所示的等離子體氣壓差分裝置的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
如圖1、圖2所示，一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，包括入口滯流起旋段、錐形匯流管和有壓質(zhì)子束入射管，入口滯流起旋段、錐形匯流管形成貫通的流體通道，在入口滯流起旋段注入金屬液體，該金屬液體在流體通道內(nèi)形成自由液面，流體通道中自由液面的上部裝置有壓質(zhì)子束入射管，有壓質(zhì)子束入射管通過等離子體氣壓差分裝置與加速器束流管相連接，入口滯流起旋段的內(nèi)壁上設(shè)置滯流起旋肋片環(huán)；
入口滯流起旋段:為金屬液體注入錐形匯聚管提供穩(wěn)定的入口流動(dòng)條件；
錐形匯流管:設(shè)置在入口滯流起旋段下部，將入口滯流起旋段流入的流體以預(yù)設(shè)錐形角度匯聚，進(jìn)而形成自由液面；
有壓質(zhì)子束入射管:管內(nèi)空間與自由液面相連通，管內(nèi)充入氣體形成壓力，用來控制上述自由液面，并通過等離子體氣壓差分裝置與上方的加速器束流管道相連。
其中，如圖3所示。滯流起旋肋片環(huán)包括肋片和圓形骨架，肋片側(cè)緣連接在圓形骨架上，肋片與圓形骨架軸向的夾角為可調(diào)的，其夾角調(diào)節(jié)范圍為0°至30°。入口滯流起旋段是由圓柱入口管內(nèi)壁和有壓質(zhì)子束入射管外壁形成的環(huán)形流體通道。錐形匯流管的錐形壁面與錐形匯流管軸向的角度為5°至30°。有壓質(zhì)子束入射管內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié)范圍為
O -1 (:_:廣 Pa。
一種液面穩(wěn)定的方法，包括以下步驟:
S1:在等離子體氣壓差分裝置工作下，將液體從入口滯流起旋段注入錐形匯流管形成自由液面；
S2:將氣體注入有壓質(zhì)子束入射管，隨著氣體的不斷注入，有壓質(zhì)子束入射管內(nèi)氣體壓力逐漸升高，而由于此時(shí)等離子體氣壓差分裝置的作用，有壓質(zhì)子束入射管上方的加速器真空束流管仍處于真空工作狀態(tài)；
S3:在有壓質(zhì)子束入射管內(nèi)氣體壓力的作用下，上述自由液面降低，液體在錐形匯流管匯流時(shí)形成的回流區(qū)域得到抑制；
S4:通過氣體的反饋調(diào)節(jié)抑制外部不穩(wěn)定因素對(duì)自由液面的影響。
如圖1、圖2所示，一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以在ADS系統(tǒng)中進(jìn)行安裝。其主要部件包括入口滯流起旋段11、錐形匯流管12、以及有壓質(zhì)子束入射管13。在入口滯流起旋段中裝置有滯流起旋肋片環(huán)14。
入口滯流起旋段11、錐形匯流管12構(gòu)成貫通流道，液態(tài)金屬自入口滯流起旋段11注入，經(jīng)滯流、起旋作用，流經(jīng)錐形匯流管12后，形成自由液面20，自由液面20上方為有壓質(zhì)子束入射管13的管腔，在有壓質(zhì)子束入射管13中的可調(diào)氣體壓力作用下，對(duì)液面進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。同時(shí)有壓質(zhì)子束入射管13經(jīng)由等離子體壓力差分系統(tǒng)19向上與ADS束流管道相連接。
在入口滯流起旋段11中，裝置有可拆卸的滯流起旋肋片環(huán)14，滯流起旋肋片環(huán)14中的肋片15與軸線的夾角在0° -30°之間，可以通過機(jī)械方式進(jìn)行傳動(dòng)控制。滯流起旋肋片環(huán)14為O型環(huán)，肋片15通過固定架16進(jìn)行連接，固定架16定位于入口滯流起旋段11的環(huán)形流道當(dāng)中，并自入口滯流起旋段11的下端開始裝置，并可多組累裝。
滯流起旋肋片環(huán)14的肋片15數(shù)量需由入口滯流起旋段環(huán)形流道幾何尺寸及工作流速計(jì)算確定，其密度應(yīng)使得水力直徑降至6mm以下，使得流體在流經(jīng)該段時(shí)，其壓頭損失大于靜壓差，以起到滯流作用。
錐形匯流管12的壁面傾角為5° -30°范圍，其具體角度與長(zhǎng)度選擇受到入口滯流起旋段11尺寸與來流流速的影響，經(jīng)過具體計(jì)算和工程調(diào)節(jié)，以形成如圖2所示的自由液面20為準(zhǔn)。在該錐度角范圍內(nèi)，基本能夠滿足不同型號(hào)的實(shí)用ADS裝置運(yùn)行，覆蓋了通常的ADS的尺寸及液態(tài)金屬流量。
有壓質(zhì)子束入射管13位于形成的自由液面20上方，并構(gòu)成入口滯流起旋段11的流道內(nèi)環(huán)。有壓質(zhì)子束入射管13上可通過注氣口 17與排氣口 18進(jìn)行0-104pa的氣壓調(diào)節(jié)，從而直接調(diào)節(jié)、穩(wěn)定自由液面20。在有壓質(zhì)子束入射管13上端裝置有等離子體氣壓差分裝置19，該等離子體氣壓差分裝置現(xiàn)階段可采用等離子體真空窗。經(jīng)過一級(jí)或多級(jí)的等離子體氣壓差分裝置，在上方的管道內(nèi)可以形成10_4pa以下的真空，滿足ADS實(shí)用裝置中的對(duì)接真空條件。
其具體工作過程為，入流流體自入口滯流起旋段11上方入口注入，流經(jīng)滯流起旋肋片環(huán)14，消除注入錐形匯流管12時(shí)前真空環(huán)境中由于重力作用導(dǎo)致的垂直流動(dòng)不穩(wěn)定，并產(chǎn)生可控的均勻旋轉(zhuǎn)流，進(jìn)入錐形匯流管12。在錐形匯流管12的錐形壁面匯聚作用下，于下游形成自由液面20。自由液面20上方為有壓質(zhì)子束入射管13，通過調(diào)節(jié)有壓質(zhì)子束入射管13的氣體壓強(qiáng)，消除無法參與循環(huán)流動(dòng)的環(huán)流區(qū)，并且進(jìn)一步降低液面位置，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，在運(yùn)行當(dāng)中，通過有壓質(zhì)子束入射管13中氣體負(fù)反饋，穩(wěn)定液面。與此同時(shí)，有壓質(zhì)子束入射管13由于等離子體氣壓差分裝置19的裝置，能夠真正提供與實(shí)用ADS加速器的束流接口。
通過聯(lián)合有壓質(zhì)子束入射管13和滯流起旋肋片環(huán)14能夠在運(yùn)行過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的自由液面20調(diào)節(jié)與控制，滿足ADS系統(tǒng)使用過程中入口滯流起旋段11對(duì)于不同來流變化的液面維持。在應(yīng)用本專利的實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)氣體壓力，能夠形成真正ADS實(shí)用的自由液面20，在任何情況下均處于受控狀態(tài)的錐形液面。
最后應(yīng)說明的是:以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，其特征在于，包括入口滯流起旋段、錐形匯流管和有壓質(zhì)子束入射管，所述入口滯流起旋段、錐形匯流管形成貫通的流體通道，在入口滯流起旋段注入金屬液體，該金屬液體在流體通道內(nèi)形成自由液面，所述流體通道中自由液面的上部裝置有壓質(zhì)子束入射管，所述有壓質(zhì)子束入射管與加速器束流管相連接，所述入口滯流起旋段的內(nèi)壁上設(shè)置滯流起旋肋片環(huán)； 所述有壓質(zhì)子束入射管通過等離子體氣壓差分裝置與上方的加速器束流管道相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述滯流起旋肋片環(huán)包括肋片和圓形骨架，所述肋片側(cè)緣連接在圓形骨架上，所述肋片與圓形骨架軸向的夾角為可調(diào)的，其夾角調(diào)節(jié)范圍為0°至30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述入口滯流起旋段是由圓柱入口管內(nèi)壁和有壓質(zhì)子束入射管外壁形成的環(huán)形流體通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3所述的加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述錐形匯流管的錐形壁面與錐形匯流管軸向的角度為5°至30°。
5.根 據(jù) 權(quán) 利要求1、2或3 所 述 的 加 速器與無窗散裂靶 界面 系統(tǒng)， 其 特 征在于，所述有 壓 質(zhì) 子 束 入射管內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié) 范圍 -104 pa O
專利摘要
本實(shí)用新型公開了一種加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)，加速器與無窗散裂靶界面耦合系統(tǒng)包括入口滯流起旋段、錐形匯流管和有壓質(zhì)子束入射管，所述入口滯流起旋段、錐形匯流管形成貫通的流體通道，在入口滯流起旋段注入金屬液體，該金屬液體在流體通道內(nèi)形成自由液面，所述流體通道中自由液面的上部裝置有壓質(zhì)子束入射管，所述有壓質(zhì)子束入射管通過等離子體氣壓差分裝置與加速器束流管相連接，所述入口滯流起旋段的內(nèi)壁上設(shè)置滯流起旋肋片環(huán)。以實(shí)現(xiàn)消除真空條件下無法滿足穩(wěn)定垂直流動(dòng)的目的。
文檔編號(hào)G21G4/02GKCN202998639 U發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 201220679557
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月11日
發(fā)明者楊磊, 張學(xué)智, 吳壯, 高笑菲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan