1012 n／s氘氚聚變中子發(fā)生器旋轉(zhuǎn)氚靶設(shè)計(jì)與傳熱分析

王 剛，于前鋒，王 文，宋 鋼，吳宜燦，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國科學(xué)院中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

聚變反應(yīng)堆是世界公認(rèn)的可以永久解決核能可持續(xù)發(fā)展問題的途徑之一。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）計(jì)劃是目前世界范圍內(nèi)規(guī)模最大的聚變反應(yīng)堆研究計(jì)劃。氘氚聚變反應(yīng)中子發(fā)生器產(chǎn)生的中子與ITER產(chǎn)生的中子能量（14.1MeV）相當(dāng)，可用于模擬聚變堆中子環(huán)境，開展聚變堆包層材料輻射損傷和活化分析等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)聚變基礎(chǔ)研究中所開展的各類模擬計(jì)算及理論分析的正確性和可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和校核，用以指導(dǎo)后續(xù)的材料改進(jìn)和計(jì)算方法的創(chuàng)新與優(yōu)化。

在氘氚中子發(fā)生器中，氚靶是直接產(chǎn)生中子的關(guān)鍵部件，相同情況下的中子產(chǎn)額越高，氚靶所需承受的熱載越大。如何有效地將氚靶上的高熱載散去，實(shí)現(xiàn)靶的冷卻，是氚靶設(shè)計(jì)和研制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。該項(xiàng)工作涉及傳熱、機(jī)械、材料等相關(guān)技術(shù)的集成應(yīng)用。目前，氚靶主要有固定靶、旋轉(zhuǎn)靶和振動(dòng)靶三種。其中，固定靶主要用于靶面熱載相對(duì)較小的情況，旋轉(zhuǎn)靶和振動(dòng)靶主要用于靶面熱載較高的情況?，F(xiàn)有氚靶的冷卻方式主要有直噴水冷卻、溝槽水冷卻和夾層水冷卻等。國際上以美國RTNS-II和俄羅斯SNEG-13為代表的先進(jìn)中子發(fā)生器氚靶表面所承受熱功率分別為60kW和20kW，兩個(gè)靶所采用的都是溝槽水冷卻的旋轉(zhuǎn)靶方案［1-3］。

FDS團(tuán)隊(duì)在長期從事先進(jìn)核能相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上［4-13］，針對(duì)HINEG（High Intensity Neutron Generator）中子發(fā)生器設(shè)計(jì)了一種中子產(chǎn)額為1012n／s量級(jí)的旋轉(zhuǎn)氚靶。本文對(duì)該旋轉(zhuǎn)氚靶設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，并利用CFD方法對(duì)該旋轉(zhuǎn)氚靶的傳熱進(jìn)行模擬和分析，以考察其設(shè)計(jì)是否滿足1012n／s量級(jí)中子發(fā)生器的需求。

1 技術(shù)難點(diǎn)與設(shè)計(jì)方案

對(duì)用于1012n／s量級(jí)中子發(fā)生器HINEG上的氚靶，氚靶片基底材料為鉻鋯銅，靶片上鍍一層很薄的氚鈦膜，當(dāng)氘離子束轟擊靶片時(shí)，鈦膜中的氚與氘離子發(fā)生作用產(chǎn)生中子與α粒子，此即氚靶的工作原理。本文研究的氚靶系統(tǒng)靶片上氘離子束的束斑直徑為1cm，束流功率強(qiáng)度為2.4kW，因此束斑點(diǎn)處功率密度約為30MW／m2。

由于氘離子束功率絕大部分（99%以上）轉(zhuǎn)化為靶片上的熱沉積，若靶片固定不動(dòng)且不加冷卻，在此高功率密度下，勢(shì)必引起靶片局部溫度上升和靶片材料的熔化；另一方面，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)靶片表面的氚鈦膜溫度超過200℃時(shí)，膜中的氚會(huì)大量釋放，從而極大降低旋轉(zhuǎn)靶面的中子產(chǎn)額。因此，必須采取必要的技術(shù)手段將靶片表面的熱載散掉，實(shí)現(xiàn)靶片的有效冷卻，這也是高載熱氚靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵之處和技術(shù)難點(diǎn)。

針對(duì)上述高載熱氚靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)，本文提出了一種旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)，其總體方案和相關(guān)參數(shù)參見表1，圖1為該旋轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)示意圖。

表1 旋轉(zhuǎn)靶設(shè)計(jì)方案和參數(shù)Table 1 Design and parameters of rotating target

該氚靶系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于，首次將直噴水冷卻、機(jī)械水動(dòng)密封和磁流體真空動(dòng)密封技術(shù)集成應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)，以滿足1012n／s量級(jí)中子發(fā)生器對(duì)氚靶散熱和機(jī)械等方面的設(shè)計(jì)需求。而該系統(tǒng)解決散熱問題的關(guān)鍵技術(shù)有兩點(diǎn)，即靶片旋轉(zhuǎn)和直噴水冷卻。旋轉(zhuǎn)的靶系統(tǒng)可以使靶片上氘離子束轟擊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻，一定程度上降低靶片溫度；對(duì)靶片的冷卻方式為冷卻水從入水口流向靶片中心處，通過靶片背面對(duì)靶片進(jìn)行冷卻后從出水口流出。

圖1 旋轉(zhuǎn)氚靶示意圖Fig.1 Schematic of rotating tritium target

旋轉(zhuǎn)氚靶各主要部件的功能如下：

旋轉(zhuǎn)靶片：表面鍍氚鈦膜，用于接收氘離子束的轟擊而產(chǎn)生中子。靶片旋轉(zhuǎn)能夠更加有效地散掉靶片上沉積的熱量；

真空腔體：為氘離子束的傳輸提供真空環(huán)境；

機(jī)械密封部件：用于靶片冷卻水的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封，防止水泄漏到靶系統(tǒng)外破壞磁流體部件；

磁流體密封部件：用于靶系統(tǒng)真空腔室的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封，防止空氣進(jìn)入靶系統(tǒng)真空腔室；

傳動(dòng)部件：通過傳動(dòng)皮帶與電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)靶真空室以及靶片的旋轉(zhuǎn)。

2 傳熱計(jì)算模型

為考察本文提出的旋轉(zhuǎn)靶設(shè)計(jì)方案是否滿足1012n／s量級(jí)中子器對(duì)靶散熱的需求，本文對(duì)該方案進(jìn)行建模和傳熱過程模擬。使用CATIA對(duì)靶系統(tǒng)建立三維實(shí)體模型（圖2），使用ANSYS ICEM對(duì)三維模型劃分網(wǎng)格，為了兼顧計(jì)算精度和網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性，通過對(duì)網(wǎng)格敏感性的分析，最終選取的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為30萬個(gè)，如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)靶系統(tǒng)三維計(jì)算模型Fig.2 3Dcalculation model of rotating target

圖3 靶面冷卻計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grids of calculation model for target cooling

對(duì)于旋轉(zhuǎn)靶的傳熱模擬計(jì)算，要求解的是一個(gè)NS方程控制的共軛傳熱問題，本文利用ANSYS FLUENT對(duì)旋轉(zhuǎn)靶片的傳熱過程進(jìn)行模擬，該CFD程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)選定的流體力學(xué)模型以及初始、邊界條件進(jìn)行求解。本文計(jì)算采用的主要邊界條件如下：

（1）靶點(diǎn)處設(shè)置熱通量邊界條件，熱通量的大小用總功率的形式加載，總功率設(shè)為2.4kW；

（2）靶片與冷卻水之間的邊界采用共軛熱傳輸邊界條件（第四類邊界條件，在邊界處熱流連續(xù)，溫度連續(xù)）；

（3）流道入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口邊界，質(zhì)量流量的大小是5kg／min；

（4）出口邊界條件設(shè)置成壓力出口邊界，壓力大小為1atm；

（5）在流道入口設(shè)置定溫邊界，溫度大小設(shè)為5℃。

3 傳熱模擬與分析

利用第2節(jié)中旋轉(zhuǎn)靶計(jì)算網(wǎng)格模型進(jìn)行傳熱模擬，計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的結(jié)果如圖4～圖6所示。其中，圖4和圖5為靶系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)靶片背面冷卻水的流場(chǎng)分布情況。從圖中可以看到，流體的最大流動(dòng)速度約為9.8m／s。

圖4 冷卻劑橫截面流場(chǎng)分布圖Fig.4 Cross section of coolant flow distribution

圖5 靶背面冷卻劑正面流場(chǎng)分布圖Fig.5 Front view of coolant flow distribution behind the target

圖6為旋轉(zhuǎn)靶片表面溫度分布情況。從圖6可知，靶片上最高溫度為48℃，遠(yuǎn)低于技術(shù)參數(shù)指標(biāo)200℃。這說明，本文提出的旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)的散熱方案能夠有效地實(shí)現(xiàn)靶片的冷卻，靶片上氚鈦膜最高溫度不會(huì)超過200℃，因此不會(huì)發(fā)生氚的大量釋放，更不會(huì)發(fā)生靶片的熔化，該旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)的方案理論上是滿足1012n／s量級(jí)中子發(fā)生器設(shè)計(jì)需求的。

圖6 靶片溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution on target

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于1012n／s量級(jí)強(qiáng)流氘氚中子發(fā)生器HINEG的旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)，對(duì)其研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，并利用CFD方法對(duì)該靶系統(tǒng)的傳熱過程進(jìn)行了模擬和分析，重點(diǎn)在于考察該系統(tǒng)冷卻方式的可行性。模擬和分析結(jié)果表明，在靶系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，靶片上最高溫度為48℃，遠(yuǎn)低于技術(shù)參數(shù)指標(biāo)限值200℃，采用的散熱方案可有效帶走由氘離子束產(chǎn)生的熱沉積，因此不會(huì)引起氚的大量釋放和靶片的熔毀，旋轉(zhuǎn)氚靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案滿足1012n／s量級(jí)中子發(fā)生器的設(shè)計(jì)需求。

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