CSNS退耦合液氢慢化器中子物理-热工耦合模拟.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123699
CSNS退耦合液氢慢化器中子物理-热工耦合模拟
童剑飞1*,王松林1,殷雯2,陆友莲1,于全芝2,胡春明1,余朝举1,
杜文婷1,姚从菊1,梁天骄2
(1,中国科学院高能物理研究所,北京 100049
2,中国科学院物理研究所,北京 100190)
(Tel: 010-88236625, Email: ******@ihep.)
摘要本文分析了中国散裂中子源(CSNS)退耦合窄化液氢慢化器(Decoupled Posioned Hydrogen Moderator, DPHM)热沉积分布,对慢化工质、窄化片和容器进行了流固共轭传热三维数值分析。针对DPHM热源的不规则分布,提出了适合DPHM的中子物理-热工热源耦合方法,考察了18K入口条件下不同流量对慢化器的慢化工质液氢的平均温度的影响。计算结果表明:中子物理-热工耦合方法能更真实地在热分析计算中反映CSNS的热源分布,慢化器的温度随流量增加呈现非线性降低,慢化工质在选定流量下温度分布符合中子物理要求。本文的分析结果为中子物理计算、慢化器结构以及低温系统的设计和优化提供理论依据。
关键词散裂中子源; 退耦合窄化液氢慢化器; 三维非均匀热源; 温度场; 中子物理-热工耦合
1 前言
中国散裂中子源(CSNS) [1~4] GeV的高能质子轰击重金属钨靶产生强流中子,并利用慢化后的冷、热中子研究物质原子结构及其运动。CSNS主要包括质子加速器、靶站和中子散射谱仪等三大部分, 质子束流功率为100 kW, 保留升级到500 kW潜力。散裂中子源靶站由钨靶体、低温和室温中子慢化器、铍铁反射体以及铁/重混凝土屏蔽体等部分组成。靶体、反射体、慢化器位于靶站中心,是CSNS靶站中产生中子、慢化中子和增强输出的冷、热中子强度的关键部件。CSNS采用三种不同类型的慢化器来满足不同中子波长和脉冲形状的要求[5],分别为耦合液氢慢化器、退耦合窄化液氢慢化器(以下简称退耦合液氢慢化器)以及退耦合水慢化器。其中退耦合液氢慢化器位于靶体上方,采用20 K左右的液氢慢化工质、窄化片和退耦合层等多种方式,为谱仪提供脉冲宽度最窄的冷、热中子脉冲。
目前世界上正在运行的脉冲式散裂中子源有美国的SNS[6~7] 、日本的J-PARC[8]以及英国的ISIS等。散裂中子源在运行过程中,高能质子轰击靶体后产生大量中子、gamma射线及带电粒子等在慢化器内通过碰撞、电离、核反应等途径产生及沉积热量
,在慢化器为非均匀热沉积,很难通过实验模拟,而慢化工质的温度分布、均匀性和稳定性对慢
基金项目:国家重大科技基础设施项目-中国散裂中子源,国家自然科学基金 11174358 11075203 91026009
化器的中子学性能影响很大,采用计算流体力学和计算传热学能够为散裂中子源慢化器的设计以及低温系统的需求提供理论依据。
基于计算流体力学和传热学,美国和日本对退耦合液氢慢化器曾开展了相关的模拟,其靶体材料采用液态金属汞,密度较CSNS采用的钨低,质子入射后靶体的泄露中子在质子束方向一维的分布较钨靶均匀,他们在热分析计算中假设其退耦合液氢慢化器热源在相同高度上为均匀分布, J-PARC在高度方向上采用中子物理计算获得的一维离散数值结果,SN