ADS无窗液态散裂靶在束流耦合下热输运性能模拟研究

ADS靶研究的核心问题之一是：在产生满足需求的中子时，如何将强束流沉积在靶中的热量输运出靶区。液态散裂靶是一种可能的选择。有窗液态散裂靶的热输运问题是一个单相流问题，目前从理论、模拟到实验都有成熟的经验（PSI的MEGAPIE系统有长期运行经验)。然而核岛内的核心部件要求长期稳定运行，窗体材料的安全性是否可以满足？或者在核岛内频繁更换束窗是否可行？无窗液态散裂靶将解决束窗带来的困难，但是束流耦合下的热输运过程是多相流问题，从理论、模拟到实验都没有成熟的经验。因此，开展ADS无窗液态散裂靶在束流耦合下热输运性能模拟研究，是一个迫切和重要的问题。本项目将发展束流耦合下的流体热输运数值模拟平台，数值模拟结果将与水模拟装置在电子束和CSR的1GeV质子束轰击下的实验结果进行对比研究，以期获得对不同液态无窗靶几何构型在束流耦合下的热输运性能的认识，并校准束热输运模拟计算平台，为后续研究打下基础。

该项目对流体工质的无窗构型的散裂靶在束流耦合后的特性进行了研究。项目组开发了质子束流与流体工质耦合的大规模GPU并行模拟方法，利用电子束与水的耦合实验，对该方法进行实验校核。在数百小时的模拟时间内，该模拟方法可以对数千万的流态工质格点进行模拟，模拟实际的时间可以达到数十秒。结合其他模拟计算工具，包括：结构计算、材料计算、中子输运等，项目组设计了带有起旋器的紧凑型液态金属无窗靶，并对液态金属无窗靶不同几何构型下的流体力学不稳定性进行研究，理解了这种内喷嘴结构的两相流体所具有的脱体流现象，而脱体流将会深刻的影响液态金属无窗靶的流体力学不稳定性。在这些研究的基础上，针对液态金属无窗靶內秉的流体力学不稳定性问题，提出了流体化固体颗粒靶的新概念，并申请了国际专利。流体化固体颗粒靶设计原理如下:在耦合质子束流时，流体化固体颗粒的流动将束流沉积的热量带出束流作用区，并在换热系统中将热量导出整个靶系统，该靶系统耦合的束流总功率可以达到数十MW。其中，可以采用直径约为0.5-1cm的金属钨合金球作为流化固体颗粒和广泛应用于工业领域的流化固体颗粒技术。这种概念的无窗靶在国内外的会议中公布后，同行给出了积极的评价，并提出了在工程实践中需要解决的问题。总的来说，项目组通按照项目的计划，对要点内容进行了研究，首先建设了可靠的束流与无窗散裂靶耦合下流体强迫对流的数值模拟平台，在此基础上研究了无窗散裂靶的热输运能力，特别是流体力学稳定性问题，并给出了一种原理上具有流体力学稳定性的原创性无窗散裂靶原理。