c-ads hebt末段真空质子束窗与准直器相关物理问题研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文C．ADSHEBT末段真空质子束窗与准直器相关物理问题研究作者姓名学科专业导师姓名完成时间武红利核技术及应用尚雷研究员王相綦研究员二0一三年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeInvestigationofprotonbeamwindowandcollimatorofhighenergyprotonbeamtransportline0fC．ADSAuthor’sName：HongliWuSpecialit

2、y：NucleartechniquesandTheirApplicationSupervisor：Prof．LeiShangProf．XiangqiWangFinishedtime：May，2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：-二料签字日期：—量正LⅡ中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，

3、学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。叼公开口保密(年)作者签名：签字日期：盐红盘!l卫陵f：』：导师签名：鳞砖常签字日期：丝!c丕：旦!鱼摘要近年来全球气候环境恶化，世界能源危机日益严峻，同时传统核能发展受到诸多瓶颈制

4、约，新型清洁能源的发展备受重视，在这一背景下国内外纷纷开展了加速器驱动的清洁核能系统ADS(AcceleratorDrivenSub．CriticalSystem)的研究与物理概念设计，中国ADS项目(C．ADS)自1999年列入“973计划”以来得到了快速的发展，并取得了阶段性的成果。目前C．ADS处于加速器物理设计阶段，并计划于-2032年建成为质子束能量为1．5GeV，功率为15MW的强流质子加速器和≥1GWt的示范嬗变反应堆装置。与国内外现役加速器相比较，C．ADS中加速器具有高流强高功率和高运行可靠性的特点，并且运行时间>99

5、％，因此对加速器物理设计提出了极高的技术要求。C-ADS高能质子输运线(HEBT,highenergyprotonbeamtransportline)连接了直线加速器和嬗变堆／废束箱，起到了束斑变换、束流监测、束流准直等作用。真空质子束窗(PBW，protonbeamwindow)是位于HEBT末段用于隔离加速器真空环境和靶系统非真空环境的部件，保证了加速器的真空运行环境，对C．ADS系统的稳定运行起到重要作用。本论文通过计算给出了适用于C．ADS中的真空质子束窗的初步设计参数。准直器是HEBT上另一重要组件，主要作用是减少加速器末段由

6、靶出射的反角中子对磁铁等组件的辐射损伤，本文根据C．ADS．IllHEBT初步设计方案给出准直器初步模拟计算。强流质子束穿过质子柬窗时与束窗材料的相互作用会引起束流散射及能量沉积，并且对束窗造成辐射损伤。束流散射效应会使得束流到达靶面时束晕增大、靶外功率损失增加，增加了靶系统材料性能要求及屏蔽设计难度。束窗内的束流能量沉积会引起束窗温度升高，进而影响束窗的机械性能，因此束窗应配备良好的冷却系统。束窗材料的辐射损伤会对束窗的机械性能产生影响进而影响使用寿命。因此束流散射效应、能量沉积及冷却、辐射损伤以及束窗的机械性能是束窗设计最为重要的因

7、素，本论文从这几个方面对质子束窗进行了计算讨论。本文首先总结比较了现有加速器系统中的(主要是国内外散裂中子源)质子束窗设计，选取了多管道型真空质子束窗(multiplepipesprotonbeamwindow)进行计算讨论，并根据C．ADS一期、二期和三期工程加速器束流物理初步设计参数对束窗的结构参数进行了相应的调整以满足要求。本文使用大型蒙特卡洛粒子输运程序FLUKA计算讨论了不同结构参数和材料下多管道型束窗的束流散射效应，给出了在不同功率损失要求下束窗材料选取及初步结构参数设计。文中给出了束窗材料辐射损伤计算结果，包括束窗材摘要料

8、的DPA、气体生成率及其他余核生成率，并根据束窗材料的DPA给出束窗寿命的初步估算，同时也为束窗机械性能的进一步研究提供参考。本文使用FLUKA计算了束窗中的束流能量沉积，并使用计算流体动力学软件FLUEN