ADS無窗散裂靶中兩相流動和腐蝕問題研究

《ADS無窗散裂靶中兩相流動和腐蝕問題研究》是依託中國科學院大學，由劉捷擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：ADS無窗散裂靶中兩相流動和腐蝕問題研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉捷
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

散裂靶在加速器驅動次臨界堆系統中連線加速器和反應堆，是核心裝置。液態重金屬鉛鉍合金在無窗散裂靶中流動過程包含多相流和傳熱傳質科學問題，主要有與蒸汽間含氣蝕相變的自由界面精確捕獲、對極大功率密度體積熱源的湍流輸運、強中子輻照下在結構鋼材料中腐蝕的擴散傳質過程等，這些都是關係到系統能否長期、穩定、安全運行的關鍵工程熱物理科學問題。針對這些問題，本項目擬開展兩相大物性比、含相變的高效精確界面捕獲算法及常溫液態金屬驗證性模擬實驗研究，高溫、低Pr數金屬流體湍流對極大功率密度體積熱的輸運模擬，強輻照下鉛鉍與結構鋼原子互擴散及其演化過程的微尺度和多尺度耦合算法研究等。預期發展相關算法與軟體，獲得相關過程的新知識、新規律，深入認識影響系統運行的關鍵因素，豐富多相流、金屬流體力學和微尺度傳熱傳質等學科知識，並為我國加速器驅動次臨界堆散裂靶的設計、最佳化和研製提供理論依據，因此具有重要學術價值和重大套用前景。

結題摘要

散裂靶在加速器驅動次臨界堆系統中連線加速器和反應堆，是核心裝置。液態重金屬鉛鉍合金在無窗散裂靶中流動過程包含多相流和傳熱傳質科學問題，主要有與蒸汽間含氣蝕相變的自由界面精確捕獲、對極大功率密度體積熱源的湍流輸運、結構鋼材料中腐蝕的擴散傳質過程等。針對這些問題，本項目擬開展兩相大物性比、含相變的高效精確界面捕獲算法，高溫、低 Pr 數金屬流體湍流對極大功率密度體積熱的輸運模擬，結構鋼原子互擴散及其演化過程的分子動力學研究等。 通過在流動入口加入從 1.0rad/s 到 2.0rad/s 的旋轉速度發現加入一定數值的旋轉速度可以改變鉛鉍合金（ LBE） 的流型。隨著旋轉速度的增大，在匯聚點下方會逐漸形成不斷增大的新氣蝕區，且回流區逐漸減小直至旋轉速度達到 2.0rad/s 時最終消失。 通過改變質子束的流強，模擬得到了小流強下的瞬態溫度場和大流強下的穩態溫度場，得到了如斷翅蝴蝶狀分布的溫度場。鉛鉍合金自由面高度隨下部出口壓強增大而升高，隨壓強減小而降低，主流區速度隨壓強增大而減小；在異常底部出口壓強下鉛鉍合金濺射增強，回流區高度增加，使更多的鉛鉍合金蒸汽進入真空管，影響系統正常運行。溫度場隨入射質子束能量改變，並且能量越高，最高溫度越大。在 600 MeV 能量 50 mA 流強質子束作用下，最高溫度已達到 1670 K，而鉛鉍合金沸點為 1943 K，需要最佳化散裂靶結構以滿足繼續加大質子束能量或流。上述回流區最佳化、流型及熱輸運過程研究的數值模擬結果為 ADS 無窗散裂靶的設計和最佳化提供了可靠的依據，特別是對未來中國 ADS 的研究和套用具有重要的學術和套用參考價值。鐵在液態鉛鉍合金中的分子動力學模擬發現隨著溫度的升高，鐵被腐蝕的程度逐漸增加，但是在鉛鉍合金中中加入氧原子後，鐵被腐蝕的程度明顯減少；與此同時，在鐵中分別加入不同比例的金屬Cr、Ni，鐵受腐蝕的程度隨著加入Cr、Ni比例的增加而減少。在鉛鉍合金中加入氧氣和在鐵中分別加入的金屬Cr、Ni都會使鐵被腐蝕程度減小，從而有利於ADS系統的長期穩定運行。