加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究
加速器驱动次临界系统束流瞬态分析模型的开发
加速器驱动次临界系统束流瞬态分析模型的开发陈钊;崔大伟;石秀安【摘要】加速器驱动次临界系统利用散裂反应产生外源中子驱动次临界堆运行,具有次临界固有安全性,同时具备能谱硬、嬗变能力强等特点,被国际公认为核废料处理的最有效手段.ADS系统中外中子源由质子束流轰击散裂靶产生,束流的瞬态变化将直接引起次临界堆堆芯功率的波动,从而影响整个ADS系统的安全运行.本文在调研分析国际现有的ADS束流瞬态分析模型的基础上,提出一种新型的ADS束流瞬态分析模型.基于通用CFD程序FLUENT,通过用户自定义功能(UDF)将中子动力学模型(PKM)和燃料棒瞬态热分析模型(PTM)集成进入FLUENT软件中,完成FLUENT-ADS束流瞬态分析模型开发.采用OECD/NEA发布的ADS失束事故国际基准例题进行模型验证,关键校验参数与发布结果吻合较好,最大计算误差为5.2％,与国际同类功能的计算程序相当,模型具有一定的可信度,可满足ADS束流瞬态特性初步分析研究要求.【期刊名称】《核安全》【年(卷),期】2018(017)004【总页数】8页(P51-58)【关键词】ADS;束流瞬态;模型开发【作者】陈钊;崔大伟;石秀安【作者单位】中广核研究院有限公司,深圳518026;中广核研究院有限公司,深圳518026;中广核研究院有限公司,深圳518026【正文语种】中文【中图分类】TL99加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System, 简称ADS)利用散裂反应产生外源中子驱动次临界堆运行，具有次临界固有安全性，同时具备能谱硬、嬗变能力强等特点，是国际公认的核废料处理最有效手段之一[1,2]。
ADS系统的外源中子由质子束流轰击散裂靶产生，束流的瞬态变化将直接引起次临界堆堆芯功率的波动，从而影响整个ADS系统的安全运行[3]。
因此，开展ADS束流瞬态特性的模型分析研究对发展ADS技术，尤其是开展安全分析和安全审评工作具有重要意义。
加速器驱动的次临界系统的燃耗分析计算和堆芯优化设计
加速器驱动的次临界系统的燃耗分析计算和堆芯优化设计王育威;杨永伟;崔鹏飞【摘要】The premise of the accelerator driven sub-critical system (ADS) in the accident is still subcritical, the biggest keff change with burn time is less than 1.5 ％ and the cladding material, HT9 steel, can withstand the maximum radiation damage, core fuel area is divided into fuel transmutation area and fuel multiplication area, and fuel transmutation area maintains the same fuel composition in the whole process. Through the analysis of the composition of the fuel, shape of core layout and the power distribution,etc. , supposed outer and inner Pu enrichment ratio range of 1.0-1.5, then the fuel components of fuel multiplication area was adjusted. Time evolution of keff was calculated by COUPLED2 which coupled with MCNP and ORIGEN. At the same time the power peaking factors, minoractinides transmutation rate desired to maximization and burnup were considered. A sub-critical system fitting for engineering practice was established.%以加速器驱动的次临界系统(ADS)在事故情况下仍处于次临界、keff随燃耗时间变化的最大范围不超过1.5%和包壳材料HT9钢可承受的最大辐照损伤的前提下,将堆芯燃料区分为嬗变区和增殖区,并将整个过程保持嬗变区的燃料成分不变.通过对ADS燃料的组成成分、堆芯布置和堆芯功率分布等方面的研究,在Pu的外层富集度与内层富集度之比为1.0～1.5范围内,调整增殖区的燃料成分,并利用MCNP和ORIGEN耦合的COUPLED2程序计算keff随燃耗时间的变化.同时,综合考虑功率展平、次锕系核素的嬗变率和燃耗深度等因素,建立1套符合工程实际的次临界系统.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2011(045)006【总页数】5页(P700-704)【关键词】keff;嬗变;燃耗【作者】王育威;杨永伟;崔鹏飞【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TL329随着核电事业的快速发展,乏燃料的后处理成为核能领域备受关注的话题。
加速器驱动的次临界系统初步概念设计
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
加 速 器 驱 动 的次 临界 系统 初 步 概 念 设 计
李勋昭， 吴宏春， 曹良 志， 郑术 学 院 ， 陕 西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ９ ）
摘要 ： 基 于初 始 Ｐ ｕ 装 载对 加 速 器驱 动 的 次 临 界 系 统 （ ＡＤ Ｓ ） 嬗 变 次 锕 系核 素 （ ＭＡ） 的影 响 ， 提 出 了 ６种 采
ｐｌ ｕ ｔ ｏ ｎｉ ｕ ｍ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎｔ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖｅ ｓ ｔ ｉ ｇａ ｔ ｅ ｄ 。 Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｔ ｈａ ｔ ，ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｉ ｎｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｉ ｎｉ ｔ ｉ ａ １ ｐ ｌ ｕｔ ｏｎ ｉ ｕｍ ｃ ｏ ｎｔ ｅ ｎｔ 。ｔ ｈｅ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｍ ｕｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｍ Ａ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｐｒ ｏ ｔ ｏ ｎ
１ ０ Ｚｒ ） 一 Ｚｒ ｗａ ｓ ｕｓ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈｅ ｆ ｕ ｅ １ ． Ｍ ＣＮＰ ａ ｎｄ ＯＲＩ ＧＥＮ２ ｃ ｏ ｄｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｐ ｐｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｎｅ ｕｔ ｒ ｏ ｎ ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｂ ｕｒ ｎｕ ｐ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏｒ ＡＤＳ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ Ｍ Ａ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｕｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｋ “ａ ｎｄ ｐｒ ｏ ｔ ｏ ｎ ｂｅ ａ ｍ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎｔ ｃ ｏｒ ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎ ｄｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ
加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究Ⅰ.原子位移
加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究Ⅰ.原子位移佚名
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2000(034)006
【摘要】考虑了不同入射能量的质子和中子轰击W、Pb靶,利用SHIELD程序系统,研究了我国未来可能使用的靶体的辐射损伤截面、原子位移截面和原子位移率,并同Wechsler的研究结果进行了比较.同时,对1.6 GeV的质子沿中心轴线入射长60 cm、直径20 cm厚铅靶在不同部位引起的辐射损伤进行了研究,得到合理的结果.
【总页数】8页(P499-506)
【正文语种】中文
【中图分类】TL441+.1
【相关文献】
1.加速器驱动的次临界系统散裂靶泄漏中子谱研究 [J], 谭新建;李金英
2.加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究 [J], 张尧立;崔鹏飞;肖思聪;杨永伟;周志伟
3.加速器驱动洁净核能系统散裂靶辐射损伤研究Ⅱ.气体产生 [J], 樊胜;叶沿林;陈陶;应军;赵志祥
4.加速器驱动次临界系统(ADS)及其散裂靶的研究现状 [J], 徐雅晨;亢方亮;盛选禹;;;
5.对加速器驱动洁净核能系统散裂靶问题的探讨 [J], 徐春成;叶沿林;郭华
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加速器驱动的10 MW次临界反应堆物理方案研究
加速器驱动的10 MW次临界反应堆物理方案研究付元光;赵晶;顾龙;杨永伟【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2013(047)0z1【摘要】加速器驱动的次临界系统(ADS)是未来最有可能实现工业化嬗变核废料的装置.通过设计1个10 MW的ADS物理方案,研究ADS的嬗变能力.采用MCNPX和ORIGEN的耦合程序,利用基于ENDF6.8处理所得的6个温度(300、600、900、1 200、1 500、1 800 K)下连续能量核数据库,计算得到ADS随燃耗时间变化的有效增殖因数keff、功率峰因子和质子束流强度.同时通过计算给出了该设计方案下ADS燃料多普勒系数、冷却剂空泡系数和有效缓发中子份额,利用这些物理量研究了该ADS方案的安全特性,并通过燃耗计算研究了ADS的嬗变能力.结果表明,在1 000 d燃耗时长内,keff和质子流强随时间的波动较小,燃料燃耗深度较浅,系统可提升功率运行,在假想事故下系统能保持次临界状态.系统嬗变支持比约为8.【总页数】4页(P261-264)【作者】付元光;赵晶;顾龙;杨永伟【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000;清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TL329【相关文献】1.加速器驱动次临界反应堆次临界度测量方法研究 [J], 魏书成;蒋校丰;张少泓2.中国加速器驱动嬗变研究装置次临界反应堆概念设计 [J], 彭天骥;顾龙;王大伟;李金阳;朱彦雷;秦长平3.加速器驱动的次临界10MW气冷快堆物理方案研究 [J], 秦长平;顾龙;李金阳4.加速器驱动10 MW快热耦合气冷堆物理方案研究 [J], 李金阳;顾龙;秦长平;王大伟;刘璐5.加速器驱动的10MW次临界反应堆物理方案研究 [J], 付元光;赵晶;顾龙;杨永伟;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
中国加速器驱动嬗变研究装置次临界反应堆概念设计
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大力培育战略科技力量_打造惠州科技“王牌军”
軧」眜“惠”重器大力培育战略科技力量 打造惠州科技“王牌军”文/林世爵 通讯员/黄波两大科学装置建设顺利推进2013年2月，国务院颁布《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012－2030年）》，明确“十二五”时期在我国科技发展急需、具有相对优势和科技突破先兆显现的领域中，优先安排16项重大科技基础设施建设，其中加速器驱动嬗变研究装置和强流重离子加速器装置两个装置分列第三位、第五位。
这两大装置是“十二五”国家重大科技基础设施，也是国内为数不多的两个紧密相连的大科学装置“双子星”，总投资约68亿元，于2018年启动建设。
加速器驱动嬗变研究装置（CiADS ）是应用支撑型的国家重大科技基础设施，也是一个用于开发先进核能技术的基础实验平台。
该项目建设周期为6年，建成后将是全球首个实现高功率耦合运行的兆瓦级加速器驱动嬗变研究装置。
建成该装置，我国将率先全面掌握加速器驱动次临界系统涉及的关键技术、系统集成和运行经验，显著提升在先进核能领域的自主创新能力和研究水平。
目前，CiADS 建设进展顺利，超导直线加速器、高功率散裂靶、高精度离子源系统、CiADS 散裂靶热工样机等多个关键装备和平台已研制完成，进入测试阶段。
此外，2022年9月生态环境部正式批复了CiADS 超导直线加速器部分环境影响报告书，标志着该项目工程团队提出的分阶段取证、分阶段建设的方案获得正式许可，为确保项目工程建设按期推进创造了条件，同时也为国家重大科技基础设施的建设管理提供了一种新的模式。
强流重离子加速器装置（HIAF ）是前瞻引领型的国家重大科技基础设施，集成了离子超导直线加速器和环形同步加速器最先进的技术，是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置。
建设HIAF 项目主要目标是解决原子核物理前沿科学问题，进一步研究原子核内部的结构、元素的起源以及宇宙能量的起源，其相关技术成果在经济、民生等领域应用广泛，并有巨大的产业化推广价值。
加速器驱动次临界系统用嬗变核燃料研究进展分析
加速器驱动次临界系统用嬗变核燃料研究进展分析
于锐;顾龙;姚存峰;张璐;王冠;郭亮;吴金德;姜韦;李金阳
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2024(38)7
【摘要】加速器驱动次临界系统(Accelerator driven subcritical system,ADS)是乏燃料安全处理处置关键瓶颈问题的优秀解决方案,而开发适用于该系统的嬗变核
燃料正是ADS研发的关键任务之一。
然而由于嬗变对象次锕系元素的固有特殊性质、嬗变燃料体系相关机理尚不十分明确、制备技术难度大、嬗变核燃料相关试验数据和运行经验的欠缺等原因,ADS用嬗变核燃料的研发十分复杂且极具挑战。
本文系统综述了作为ADS重要候选嬗变燃料的氧化物弥散型燃料CERCER/CERMET、氮化物燃料和金属燃料的研究进展,包括制备工艺、辐照实验和辐照后检验结果、
物性参数、主要优缺点等内容,以期为我国ADS用嬗变核燃料的研发提供一定思路和参考。
【总页数】11页(P1-11)
【作者】于锐;顾龙;姚存峰;张璐;王冠;郭亮;吴金德;姜韦;李金阳
【作者单位】中国科学院近代物理研究所;中国科学院大学核科学与技术学院;兰州
大学核科学与技术学院;中核四0四有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TL352
【相关文献】
1.加速器驱动核废料嬗变次临界堆中子学初步设计分析
2.工业加速器驱动次临界嬗变堆的设计分析
3.嬗变核废料的加速器驱动次临界系统关键技术
4.加速器驱动次临界系统嬗变少锕系核素
5.加速器驱动次临界系统——先进核燃料循环的选择
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加速器驱动次临界系统嬗变少锕系核素
1 加速器驱动嬗变技术( ADTT) 发展概况
核电站在运行中将产生一定数量的放射性废物 , 其中长寿命放射性废物主要有两类 : 即
少锕系核素 (MA) 和长寿命裂变产物 (LLFP) 。热 功率 1. 0GW 的压水堆 ( PWR) 中 MA 和 LLFP 的年 产生量如表 1 所示 。
3 MA 嬗变行为分析
为探讨 MA 在加速器驱动快中子次临界装置中的嬗变行为 , 我们对其嬗变进行了估算 。 MA 嬗变链如图 1 所示[4 , 5 ] , 为计算方便 , 忽略超铀核素的α 衰变对 MA 的贡献 , 并对 242Am 和244Am 的同素异能体进行了简化处理 。
图 1 MA 嬗变链
徐晓勤 : 加速器驱动次临界系统嬗变少锕系核素
0 2. 394 ×10 4
0 2. 39 ×10 4
——— 0
表 3 MA 嬗变产物成份的变化
3. 94 ×10 23 1. 139 ×10 4 0. 364 ×10 4 1. 503 ×10 4
0. 225 37. 2
7. 88 ×10 23 0. 519 ×10 4 0. 395 ×10 4 0. 914 ×10 4
核
半衰期/ a
年产生量/ kg
237 Np
2. 14 ×10 6
10. 06
241 Am
432. 6
11. 52
243 Am
738. 0
2. 36
99 Tc
2. 1 ×10 5
18. 9
129 I
1. 57 ×10 7
3. 92
135 Cs
2. 3 ×10 6
30. 35
注 : ①热功率 1. 0GW , 燃耗 33000MW ·d/ t , 负荷 因子 70 %(冷却 10 年) 。
加速器驱动次临界反应堆一回路系统稳态计算分析
加速器驱动次临界反应堆一回路系统稳态计算分析作者：曾文杰王承祥来源：《科技资讯》 2015年第9期曾文杰王承祥(南华大学核科学技术学院湖南衡阳 421001)摘要:依据建立的加速器驱动次临界反应堆一回路系统稳态特性研究模型,编制用于计算次临界反应堆的稳态计算程序。
选取CLEAR-IB为研究对象,计算额定功率下CLEAR-IB一回路系统的温度,并将结果与设计值进行比较,结果相一致验证了程序的可靠性,对CLEAR-IB的动态分析具有重要的意义。
关键词:次临界反应堆一回路稳态计算分析中图分类号:TL353 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)03(c)-0216-02加速器驱动次临界系统由一个次临界反应堆堆芯、一个高能质子加速器和一个散裂靶组成,可有效嬗变长寿期核废物。
系统依靠质子加速器产生的质子束轰击散裂靶产生中子,用以维持次临界反应堆的正常运行。
2011年,中国科学院主持战略先导科技专项“未来先进核能裂变系统—加速器驱动次临界嬗变系统”。
由中科院核能安全研究所建立以液态铅铋为冷却剂的10MWth研究堆CLEAR-I,该堆可运行在临界与次临界两种工况下[1]。
为研究CLEAR-IB一回路系统的稳态特性,需建立一回路稳态模型开展稳态计算分析,为系统的动态计算提供基础。
1 系统描述CLEAR-IB包含铅铋合金自然循环回路、水回路和空气冷却回路,一回路采用池式结构,冷却剂出口温度400℃。
系统共有四个环路,每个环路包含一个空冷器和一个热交换器。
热交换器中二次侧为水,压力2.32MPa,通过空冷器中的空气对二次侧水进行冷却。
CLEAR-IB的主要设计参数如表1所示[2]。
2 物理模型2.1 一回路系统简化将一回路划分成次临界堆芯、堆芯出口通道、上腔室、热交换器、堆芯入口通道、下腔室,如图1所示。
2.2 一回路系统稳态模型(1)堆芯稳态模型稳态工况下,堆芯的传热模型可以表示为:(2)上、下腔室稳态模型稳态工况下,上、下腔室的稳态平均温度表达式:(3)换热器稳态模型稳态工况下,换热器的模型为,3 一回路稳态计算结果及分析3.1 堆芯稳态计算分析当反应堆额定功率运行时,一回路总循环流量取875.9kg·s-1,通过堆芯稳态换热模型,计算得到了额定功率时燃料包壳平均温度、堆芯出口温度及堆芯平均温度的值,如表2所示。
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加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究张尧立;崔鹏飞;肖思聪;杨永伟;周志伟【摘要】散裂靶位于加速器驱动的次临界系统(ADS)的中心,为核嬗变提供所需的中子源.通过分析散裂靶的热工要求,选取铅铋合金(LBE)作为ADS的靶材料和冷却剂.使用MCNP程序计算质子束轰击靶区产生的能量沉积,并使用CFD程序FLUENT计算靶区热工特性.分析了不同设计参数及不同靶窗形状对ADS靶区温度分布和速度分布的影响,得到满足热工要求的可选方案.%The spallation target is located in the center of an accelerator driven sub-critical system (ADS), which produces neutron source for nuclear transmutation. Based on the analysis of the thermal-hydraulic demands for spallation target, lead-bismuth eutec-tic (LBE) was chosen as the spallation target and the coolant for the ADS. MCNP code was used to calculate the deposition heat in the spallation target, and the CFD code FLUENT was employed to calculate the thermal-hydraulic behavior in the spallation target zone. Different design parameters as well as different window shapes were analyzed in order to find their effects to the temperature distribution and velocity distribution, and the suitable design options were found to meet the thermal-hydraulic requirements.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2012(046)005【总页数】6页(P573-578)【关键词】加速器驱动的次临界系统;散裂靶;热工水力【作者】张尧立;崔鹏飞;肖思聪;杨永伟;周志伟【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TL411.1加速器驱动的次临界系统（ADS）对核废料的嬗变及核能的可持续发展有着重要意义，是未来清洁核能系统的重要组成部分。
目前，欧洲、美国、日本、印度、韩国等均对ADS进行了大量研究工作。
我国于1995年开始进行以ADS物理可行性和次临界堆芯物理特性为重点的研究工作，在加速器和散列靶等研究方向上均取得了重要进展。
热工水力是ADS开发和研究中的重要环节之一，是ADS设计与安全运行的保证。
现各国在ADS热工水力方面开展的研究，主要围绕产生嬗变中子源的散裂靶的冷却问题。
靶件周围流场和温度场非常复杂，靶窗的完整性将直接影响系统的正常运行和安全，因此，靶窗的冷却问题尤为重要。
ADS的靶窗设计分有窗和无窗两种。
本研究主要关注有窗设计的热工安全。
我国在ADS嬗变及散裂靶的研究尚处于概念设计阶段。
本工作以概念设计中的800MW加速器驱动的次临界系统为参考。
该系统要求从加速器射入次临界堆的质子能量为1GeV，电流强度为5mA。
本研究采用上述质子条件对靶区进行设计和计算，并对各种方案进行热工分析，寻找满足热工水力要求的可选方案。
1 ADS靶区设计ADS靶区设计如图1所示。
质子束在真空管中自上向下发射，穿过靶窗，在散裂靶区与散裂靶发生散裂反应。
真空管直径20cm，管壁厚0．3cm，加速器质子束通道和冷却剂通过真空管分隔。
冷却剂自底部进入，从顶部流出，将热量从散裂靶区带走，保证靶窗和散裂靶区的温度不超过热工限值。
图1 ADS靶窗几何尺寸Fig．1 Design parameters of ADS spallation target 靶窗材料选择CLAM钢。
冷却剂材料选择铅铋合金（LBE）。
由于强流质子束轰击散裂靶后产生的高能粒子和散裂产物对材料具有损害作用，导致散裂靶承受着严重的辐照和机械应力。
基于靶的以上特点，LBE被选为冷却剂和靶材料。
表1列出几种液态重金属靶参数。
综合表1中材料的热物性、对中子的吸收能力和是否产生高放射性物质等因素，将LBE作为本工作的最佳靶材料［1］。
表1 几种液态重金属靶的参数Table 1 Parameters of liquid metal targets低沸点LBE 低熔点（396．5K），如果LBE作为冷却剂，具有较好的相容性铋吸收中子产生高放射性物质Po Pb 不产生高放射性物质Po，且Pb的吸收截面小（Σa＝0．006cm－1）熔点高（600．5K），如入射质子束中断和停堆，会缺点Hg 汞在常温下是液体，在反应堆运行前不需要加热系统，不产生高放射性物质Po靶优点高的中子吸收截面（Σa＝15．5cm－1，以0．025 3eV作为参考，下同），高挥发性，由于靶固化产生危险靶窗受到由质子束和中子引起的辐照损伤，铅铋合金对靶窗的腐蚀也会损伤靶窗，影响靶窗的性能。
因此，在对靶区进行设计时，必须综合考虑各种因素，使靶窗能够正常运行至少1个换料周期。
由于辐射损伤和铅铋合金对靶窗的腐蚀数据暂缺，因此本文对于靶区的设计和分析只在热工水力要求的范围内，即通过合理设计，将靶窗和冷却剂的最高温度及冷却剂的最大流速限定在一定的范围内，以满足ADS靶区正常运行。
由于未考虑辐照损伤和腐蚀，满足该热工水力准则的设计需进行更深入的研究，使其能承受辐照损伤和腐蚀，至少正常运行1个换料周期，才能真正应用于ADS。
2 热源计算当加速器加速的高能质子轰击散裂靶时，质子与重靶核发生散裂反应，1个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，同时生成沉积热。
质子轰击到靶窗上也会发生散裂反应，并在靶窗上生成沉积热。
使用MCNPX程序计算ADS散裂靶热源。
参考文献［2］，质子束分布轮廓采用归一化的分布函数：式中：φ为质子注量率；I0为电流强度；r0为质子束的半径；r为半径方向上的长度。
质子能量为1GeV，电流为5mA，质子束分布轮廓半径设为8cm，计算网格为正则网格，网格大小为0．5cm。
经计算，靶区能量密度分布如图2所示，颜色越明亮表示功率密度越高，黑色弧形部分为靶窗，弧形部分上方为真空管，下方为散裂区。
靶窗能量密度分布如图3所示。
图2 靶区能量密度分布Fig．2 Contours of energy density图3 靶窗能量密度分布Fig．3 Energy density distribution of window3 热工水力计算在靶区发生散裂反应后，须通过冷却剂有效地将靶区的沉积热带走，保证靶窗和靶区温度不超过限值。
靶区附近的流场和温度场十分复杂，使用CFD计算程序FLUENT对靶区进行建模计算。
由于靶区是一对称结构，因此采用二维建模，并取一侧作为计算域以减少计算量。
由于未考虑腐蚀和辐射的影响，在热工设计中，需考虑的最重要的参数为靶窗的最高温度、冷却剂的最高温度和冷却剂的最大速度。
已有腐蚀数据显示，冷却剂速度应保持在低于几m／s量级，温度保持在小于773～873K［3］。
将热工设计的目标设定为：冷却剂最高温度不超过773K，冷却剂最大速度不超过2m／s，靶窗最高温度不超过873K。
表2列出设计准则和已定参数，表3列出计算使用的材料物性参数［4－5］（其中T 为温度）。
表2 设计准则和参数Table 2 Design criteria and parameters数值靶区几何尺寸靶窗材料 CLAM钢参数和所用材料靶窗参数圆柱形真空管，靶窗形状待定散裂靶材料铅铋合金散裂靶形状圆柱形设计参数真空管直径，cm 20靶窗厚度，mm 3质子束能量，GeV 1冷却剂入口流速待定冷却剂入口温度，K 600冷却剂入口压力，MPa 0．1设计准则冷却剂温度，K ＜773冷却剂速度，m／s ＜2靶窗温度，K ＜873使用MCNPX计算得到的能量分布作为体热源输入FLUENT程序。
由于Re＞105，因此在计算时选用湍流模型，近壁区域采用标准壁面函数。
在能量为1GeV、电流强度为5mA的质子束轰击下，当入口流速为1m／s、入口温度为600K、压力为0．1MPa时，计算得到靶窗最高温度为949．8K，冷却剂最高温度为844．8K，最大流速为1．50m／s。
由于驻点的存在，靶窗的最高温度出现在球面中心，冷却剂的最高温度出现在与靶窗半球顶点相邻的流体网格上。
冷却剂最大流速出现在流道最为狭窄的拐弯区域。
温度和速度分布如图4所示。
表3 材料物性参数Table 3 Material data used for calculation数值铅铋合金密度，kg·m－3 11 096～1．323 6T参数比热容，J·kg－1·K－1 146．5热导率，W·m－1·K－1 7．03＋0．000 993T运动黏度，Pa·s η＝0．004 56－7．033×10－6 T＋3．61×10－9 T2 CLAM钢（773K）密度，kg·m－3 7 800比热容，J·kg－1·K－1 693热导率，W·m－1·K－1 28．4线膨胀系数，K－1 1．23×10－5当增大入口流速时，可加强换热，从而降低最高温度。
当入口流速为1．3m／s 时，靶窗最高温度为903．3K，冷却剂最高温度为797．1K，靶区冷却剂最大流速为1．95m／s。
计算结果比较接近设计要求，但靶窗和冷却剂最高温度高于限值。
当继续增大入口流速时，最大流速将会超过设计限值。
由于最大流速出现在流道最为狭窄的拐弯区域，因此可考虑加宽拐弯区域，降低最大流速，通过进一步增大入口流速的方法强化换热。
设计两种加宽拐弯区域的方案，两种方案计算结果列于表4。
图4 靶区温度和流场分布Fig．4 Contours of temperature and velocity magnitude加宽流道能够降低冷却剂的最大流速，但由于速度降低减缓了靶窗中心位置附近的换热，从而导致靶窗和冷却剂的最高温度增大。