100kw散裂中子源钨靶温度场数值计算

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1、100kw散裂中子源钨靶温度场数值计算杜建红作者简介：杜建红（1969-），女，山西文水人，工程硕士，副教授，研究方向：数值仿真。摘要：本文对100kw散裂中子源钨靶的靶片及冷却水道进行了三维结构设计，在此基础上优化靶及水道分布的基础上，用I-DEAStmTMG/ESC软件系统，计算了靶片的温度场、冷却水流速度场和温度场。结果表明，该结构设计较为合理，在允许的流量下，能实现靶的高效冷却，满足靶的热性能要求关键词：散裂中子源；钨靶；温度场；流场1．介绍高能质子1.6Gev以光速能100KW入射到靶体，通过散裂反应产生高密度中子流

2、。由于散裂反应会在靶内产生较高的热沉积，会对靶体造成热损伤。这就要求靶材具有良好的导热性能，并用合适的冷却以带走热量。靶材要求具有较高的中子产量，很高的熔点和杨氏模量，良好的导热性能，在散裂反应后能尽快失去其大部分放射性，综合这些要求，钨可作为较理想的靶材。最简单便宜的冷却液为水，但由于使用冷却液会减小钨的有效密度，使中子能量降低，而钨对低能量的中子吸收截面大，影响中子产量，重水比水对中子产量影响较小。因此，在综合考虑靶体产生中子能力、冷却液对靶体腐蚀的影响、靶体对散热的要求等因素后，CSNS选用钨做为靶材，用重水冷却【1】。

3、本文参考了日本JAPAC水银靶【2】，设计了钨靶组合体结构。为评估靶的热性能，对靶及靶壳和重水组合体进行了稳态三维温度及流场模拟。2．钨靶几何模型靶及靶容器中热量分布由强子移动代码MCNP计算，质子束打在质子窗32×100mm2的矩形区域内，沿质子束入射方向的热密度分布如图1。热密度在靠近质子窗处较高，在质子入射方向呈指数衰减。由于CSNS用重水冷却，重水在101℃将沸腾汽化，降低冷却效果，因此要求冷却水温不超过100℃。由于沿质子束入射方向靶片热沉积按指数衰减，沿质子入射方向将靶设计为前面薄后面厚的不等厚度的片靶，每片之间用

4、冷却液隔开，靶总厚度为400mm，靶片设计为：10（mm）×5（片）＋12×3+16×2+20×1+26×1+36×1+50×1+150×1，共15片。考虑质子束偏移可能产生的误差及安装要求，设置靶的横截面为40×130mm2；而热沉积区为32×100mm2。由于使用冷却液影响中子产量，所以要求靶中冷却水缝尽可能细，考虑加工及冷却效果，确定水缝为61.5mm，共16道。靶片前部热量高，后部热量低，为使各片上最高温度相差不大，增大前部水缝的水流速度以增强冷却效果，为此设置了导流板。进、出水口截面均为34×100mm2。靶容器外型

5、尺寸为350×650×54mm3，材料为不锈钢ss316。靶片及靶容器结构如图23．数值计算数学模型3．1计算原理【3】计算采用I-DEASTMTMG/ESC软件系统，流场中由纳维－斯托克斯微分方程控制，质量、动量、和能量平衡，基于有限单元用有限容积法离散控制方程。三维紊流模型用k-ε模型描述。离散方程用simple方法求解。采用欠松弛因子，每一步迭代都获得一个收敛解直到每一变量的最大余量都小于0.1%。温度场与流场用不同的求解器耦合计算。3．2计算模型：重水进口流量1.632kg/s，温度20℃（293ｋ），出口为常压，靶及

6、容器内热载荷分区加载，假设热生成是不随时间变化的，流场用K-ε紊流模型。靶片与容器接触面之间按接触热传导（极恶劣的传热情况为绝热）重水流过靶片及靶壳按强制对流处理。计算模型如图3.节点数62627，单元数193712。4．计算结果图4为水流速度分布图，冷却缝隙处水流速度在1.7m/s以上，前面（左侧）6道水缝速度较高，在2m/s以上，最高流速2.25m/s，位于第一道水缝。据文献当冷却水速度在2m/s左右冷却效果最佳，4m/s以上，增大水流速度对降温效果不明显【4】，而水速增大不仅需增大水压而且对靶的冲刷腐蚀严重。【5】图5为

7、冷却水的温度场，最高水温29.4℃。靶容器及靶温度分布如图5，容器最高温度位于第15片靶正上方为94.7℃，靶片最高温度为90.7℃，位于第13片中心，出现这种结果是由于靶与容器之间取极坏导热状况，绝热，靶片热量可由冷却水带走，而靶容器的热量由于绝热在此部位散热较差，所以温度较高。靶片温度分布沿高度方向（y向）对称，沿水缝中水流方向（x向）也基本对称，出水侧温度稍高。沿质子束入射方向（在）温度变化较大。靶片截面上靠近中心点的对称位置取两点，则两点沿质子束方向温度分布如图6。虚线为进口侧，实线为出口侧，实线表示的温度为靶片沿入射

8、方向的最高温度。由图看出，每片的最高温度很接近，温度波动范围也很接近，这是比较理想的热分布。进水侧与出水侧对应位置点的温度分布基本一致，这样应力分析时可将模型设置为X向对称。5.结论6计算表明：靶的最高温度低于100℃，水最高温度29.4℃不会汽化，且每片靶的最高温度及温升范