颗粒流靶束靶耦合反应中的不稳定性研究

The requirement of the extremely high beam power of ADS poses a huge challenge to the spallation target. The initiative granular flow target concept adopts fluidized solid granules to act as target material as well as heat remover, and has the potential to sustaining an extremely high beam power. Different from liquid metal target, the granular solid target is lacunose and inhomogeneous. The inhomogeneity leads to the fluctuations of the granular flow and the instability of beam-target interaction. Owing to the geometrical complexity, it is quite difficult to perform a real and detailed beam-target simulation for a granular flow target. This proposal aims to perform the detailed Monte Carlo simulation of the granular spallation target basing on the real granular geometry and the special design of multi-particle MC transport algorithm. We will investigate into the instability of the beam-target interaction for various granular flow parameters and the response of the core thermal power to the fluctuation of the neutron flux from target. After that, we can discuss whether the stability requirement of ADS imposes restrictions on the granualr flow parameters or not, and then the possibility of further unleashing the potential of the granualr flow target. This proposal not only provides quantized guides for the design of the beam-target parameters of ADS, but also is useful for for the design of the future high power secondary particle source facility which adopts the granular flow target solution.

ADS的超高束流功率需求对散裂靶设计提出了巨大的挑战。新型的颗粒流靶概念采用流化的固体颗粒，既作为靶材料，又发挥着冷却介质的功能，具有承受超高束流功率的潜力。区别于液态金属靶，颗粒靶在材料形态上是一种不均匀的多孔隙介质。这种不均匀性在流动中体现为颗粒流的局部波动，并导致束靶耦合过程的不稳定。由于颗粒靶几何的特殊性和复杂性，一直以来，颗粒流靶束靶反应的模拟都是采用均匀化几何近似的方法。本课题将基于颗粒几何建模以及多粒子蒙卡输运算法设计，对颗粒流靶束靶反应进行真实的模拟，研究不同参数下的颗粒流波动在束靶反应过程中的体现，以及堆芯功率分布对束靶反应中子学波动的响应，综合考察束靶参数变化将在多大程度上造成ADS靶堆系统的不稳定，从而探讨进一步释放颗粒流靶潜力的可能性。本课题研究内容不仅可以为ADS散裂靶束靶参数设计提供指导，对将来采用颗粒流靶方案的高功率次级粒子束流装置也具有积积极的意义。

加速器驱动次临界系统（ADS）的超高束流功率需求对散裂靶设计提出了巨大的挑战。新型的颗粒流靶概念采用流化的固体颗粒，既作为靶材料，又发挥着冷却介质的功能，具有承受超高束流功率的潜力。颗粒靶的无束窗构型一方面能够规避超高功率束流对束窗造成的挑战，另一方面，在束靶耦合无约束界面处存在颗粒扰流甚至跳空现象，这种局部波动有可能导致少部分颗粒滞留过热；相比液态金属靶，颗粒靶循环回路更复杂，靶区颗粒流状态保持及异常工况下散裂靶中子学及热工响应需要深入的研究。本项目针对工业级ADS，在不同束流扫描方案和颗粒靶结构参数下，对颗粒流局部扰流现象及其影响开展深入的模拟研究，结合嬗变效率优化、工作温度和扰流效应控制等因素，得到了合理可行的束流-靶结构参数范围。针对不同的颗粒流瞬变工况，基于束靶耦合瞬态模拟，研究了颗粒流状态变化及温升特征曲线，发现ADS无窗颗粒靶存在天然的热缓冲保护机制，揭示了颗粒靶在瞬变条件下的鲁棒性。最后，基于靶堆耦合瞬态模拟，研究了颗粒流瞬变时的堆芯中子学响应，定性分析了通过堆芯中子学探测实现颗粒流瞬变工况监测及保护的可行性。本课题研究内容不仅为ADS束流参数及颗粒靶设计提供了核心数据支持，相信对将来采用颗粒流靶方案的高功率次级粒子束流装置也同样有价值。