中國散裂中子源靶體研制

魏少紅，張銳強(qiáng)，史英麗，陸友蓮，王松林，于全芝，紀(jì) 全，梁天驕

(1.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；3.北京安泰中科金屬材料有限公司，北京 100094；4.中國科學(xué)院 物理研究所，北京 100190)

中子不帶電、穿透能力強(qiáng)、具有磁矩，可用它作為探針研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)，中子散射技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物、材料、能源等領(lǐng)域[1-3]。近幾十年來，散裂中子源裝置不斷涌現(xiàn)，目前國際上有3大散裂中子源，即英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源(ISIS)、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源(SNS)和日本散裂中子源(J-PARC)。我國從2000年開始籌建中國散裂中子源(CSNS)[4]，2011年9月破土動(dòng)工，CSNS一期功率為100 kW，建設(shè)內(nèi)容包括直線加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站和3臺(tái)譜儀，于2018年8月通過國家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。

靶站是產(chǎn)生中子的裝置，整體呈圓柱體結(jié)構(gòu)，高11 m、直徑12 m，內(nèi)部由靶體、慢化器、反射體和氦容器組成，外部由鋼和重混凝土屏蔽體包圍。靶體位于靶站的中心位置，是CSNS靶站的核心設(shè)備，靶體的主要功能是接受質(zhì)子轟擊并產(chǎn)生中子，它由數(shù)片鎢靶片和靶容器組成，鎢靶片依次平行安裝在靶容器內(nèi)，高能質(zhì)子轟擊靶體，通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，同時(shí)產(chǎn)生大量熱量，需對(duì)其進(jìn)行持續(xù)的冷卻。同時(shí)，高能質(zhì)子輻照會(huì)使靶材料發(fā)生嚴(yán)重的輻照損傷[5-6]，影響靶體壽命，因此靶體需定期更換。本文結(jié)合CSNS靶體的物理設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)與工程實(shí)施，從鎢靶片研制、靶體散熱設(shè)計(jì)、遙控維護(hù)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)關(guān)鍵物理參數(shù)及制作工藝進(jìn)行研究。

1 靶體研制

1.1 鎢靶片研制

表1列出CSNS靶體的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。CSNS采用固體材料作為靶材，重水或輕水為冷卻介質(zhì)。散裂中子源靶材料需具備中子產(chǎn)額高、中子吸收截面小、密度高、導(dǎo)熱性好、抗輻照損傷、耐腐蝕等特點(diǎn)，備選材料包括鎢、鉭、錸、鈾、金、鉑、鉛、鉍、汞等。在這些材料中，重金屬固體靶有較大的中子產(chǎn)額，較適合幾百千瓦以下的散裂靶，如ISIS采用的固體鎢片，當(dāng)質(zhì)子束流功率上升到兆瓦量級(jí)時(shí)，對(duì)散裂靶進(jìn)行高效散熱顯得尤為重要，由于液態(tài)靶可通過自身流動(dòng)解決沉積在靶體中的熱量問題，因此，SNS和J-PARC采用液體汞。CSNS的設(shè)計(jì)功率為100 kW，升級(jí)后可達(dá)到500 kW，根據(jù)中子產(chǎn)生效率，同時(shí)綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件等因素，首選鎢作為靶材。在強(qiáng)輻照環(huán)境下，鎢在高壓冷卻水沖刷下會(huì)被嚴(yán)重腐蝕[7]，需采取抗腐蝕措施以提高靶的壽命，鉭具有很好的耐腐蝕性能，中子學(xué)性能與鎢相近，也是較好的中子源靶材料[8-9]，因此，CSNS采用鎢為靶材，鉭為包覆層。

表1 CSNS靶體的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main designed parameter of CSNS target

為達(dá)到鎢靶片良好的散熱效果，鉭層與鎢基體需形成冶金結(jié)合，為有效降低靶片的衰變熱，鉭層需在保證耐腐蝕條件下盡量減薄[10]。鎢/鉭均屬于高熔點(diǎn)難熔金屬，鎢的熔點(diǎn)為3 410 ℃，鉭的熔點(diǎn)為2 996 ℃，常規(guī)的焊接無法完成鎢鉭六面焊接，從鎢-鉭二元相圖可知，鎢/鉭可形成無限固溶體，適合進(jìn)行擴(kuò)散焊接，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度的關(guān)系式[11]為：

(1)

其中：D0為擴(kuò)散常數(shù)；R為氣體常數(shù)；Q為擴(kuò)散激活能；T為溫度。

由式(1)可知，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大。擴(kuò)散焊接溫度還受連接材料的冶金物理特性等限制，如再結(jié)晶溫度、中間相化合物的生成等。一般地，擴(kuò)散焊接溫度T≈0.4Tm～0.8Tm，其中Tm為母材金屬熔點(diǎn)，異種金屬擴(kuò)散連接時(shí)Tm為熔點(diǎn)較低的母材的熔點(diǎn)。

采用包套法結(jié)合熱等靜壓擴(kuò)散焊接工藝，研制出了厚度僅0.3 mm的鉭包覆鎢靶片。利用鈦金屬作為包套，在包套內(nèi)，鎢塊的六面固定鉭片，然后將包套內(nèi)抽真空后密封，制作好的包套再進(jìn)行熱等靜壓擴(kuò)散焊接。該工藝最大的特點(diǎn)是：在熱等靜壓時(shí)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎢/鉭和鉭/鉭的擴(kuò)散焊接，圖1為熱等靜壓時(shí)的溫度與壓力曲線，熱等靜壓溫度1 550 ℃，壓力150 MPa，保溫2 h。

圖1 熱等靜壓時(shí)的溫度和壓力曲線Fig.1 Temperature and pressure curves at hot isostatic pressure

對(duì)擴(kuò)散焊接后的鉭包覆鎢靶片進(jìn)行分析，采用GB 5210-85中的拉開法對(duì)鉭層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果列于表2。測試時(shí)所有樣品均從黏膠層斷開，斷開處的平均結(jié)合強(qiáng)度為64.07 MPa，因此，鉭層與鎢基體平均結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)大于64.07 MPa。采用熱等靜壓擴(kuò)散焊接工藝制備鎢靶片時(shí)，需實(shí)現(xiàn)鎢/鉭、鉭/鉭同時(shí)擴(kuò)散連接。擴(kuò)散焊接后鎢/鉭靶片界面金相照片如圖2所示，可看出，界面處未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙和其他缺陷存在，鎢/鉭界面結(jié)合良好；鉭/鉭的

表2 鉭層結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果Table 2 Test result of tantalum bonding tensile strength

搭接界面在圖2中虛線處，在金相照片中已看不出明顯界面的存在，這是由于鉭/鉭同種金屬間，鉭金屬原子擴(kuò)散更加充分，擴(kuò)散向縱深發(fā)展，微孔和界面消失，達(dá)到了完全的冶金結(jié)合。

圖2 鎢/鉭靶片界面金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographic photo of tantalum cladded tungsten target

1.2 靶體散熱設(shè)計(jì)

圖3 靶體內(nèi)的熱量沉積Fig.3 Heat deposition of target

靶體散熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在追求靶體高中子產(chǎn)額的基礎(chǔ)上，有效移除靶體產(chǎn)生的熱量，確保靶體的安全運(yùn)行。靶體散熱是利用冷卻水將靶體產(chǎn)生的熱量帶走，因此，為保證靶體的高中子產(chǎn)額，需在質(zhì)子束轟擊鎢靶片的厚度內(nèi)，盡量提高鎢靶片與冷卻水的厚度比。1.6 GeV能量的質(zhì)子在純鎢中的射程為570 mm，考慮到鎢塊制造時(shí)密度不可能達(dá)到理論密度，鎢塊的總厚度定為650 mm。利用蒙特卡羅軟件，對(duì)質(zhì)子打靶進(jìn)行模擬計(jì)算，為了增強(qiáng)靶的安全性，質(zhì)子打靶功率按照120 kW計(jì)算。圖3為模擬計(jì)算獲得的熱量沉積結(jié)果。對(duì)120 kW的質(zhì)子束流，由于散裂反應(yīng)，靶體內(nèi)瞬發(fā)的總熱量沉積為65.6 kW；靶體內(nèi)的熱量沉積分布表現(xiàn)為沿質(zhì)子束入射到靶片方向上先增大，后減??；在靶體的前段部分260 mm厚度內(nèi)，熱量沉積占總熱量沉積的90%以上，該區(qū)域正對(duì)應(yīng)了中子產(chǎn)額較高的區(qū)域，因此，靶體前段鎢靶片的散熱設(shè)計(jì)是整個(gè)靶體散熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

CSNS靶體采用扁平結(jié)構(gòu)，鎢靶片依次平行放置在單層的靶容器內(nèi)，這有利于增大靶-慢化器的耦合效率，從而提高中子的利用率。圖4為靶體結(jié)構(gòu)示意圖，散熱設(shè)計(jì)整體采用一進(jìn)一出的并行流冷卻結(jié)構(gòu)，能有效提高靶體的散熱效果。靶容器蓋板與靶容器之間采用電子束焊接，形成一密閉容器，冷卻水從靶容器后端進(jìn)口流入，依次經(jīng)過數(shù)條鎢靶片之間的冷卻流道后，從靶容器后端出口流出。在靶容器及蓋板上設(shè)計(jì)了固定靶片的隔離筋，起到固定靶片的作用，保證靶片之間冷卻流道寬度保持不變。

圖4 靶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of target structure

利用CFD軟件對(duì)靶體進(jìn)行散熱計(jì)算，計(jì)算輸入條件為：冷卻介質(zhì)為輕水，冷卻水入口溫度為30 ℃，流體壓力為0.4 MPa，根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則通過反復(fù)的迭代計(jì)算[12]，確定了靶體散熱設(shè)計(jì)的主要參數(shù)(表3)。

由表3可知，靶片共分為11片，優(yōu)化后的靶片間冷卻水流道間隙為1.2 mm，則靶體內(nèi)冷卻水厚度共13.2 mm，遠(yuǎn)小于同類裝置ISIS冷卻水總厚度48 mm[13]，保證了靶體的高中子產(chǎn)額。在質(zhì)子束流滿功率100 kW運(yùn)行、冷卻水壓為0.4 MPa、總流量為8.4 m3/h時(shí)，靶片最高溫度為182.3 ℃，靶容器最高溫度為80.5 ℃，冷卻水溫升為7.1 ℃。通過靶體的散熱設(shè)計(jì)，得到沿質(zhì)子束方向上靶體中心各位置的溫度分布，如圖5所示。由圖5可知，前5片靶片中心最高溫度接近，在170～185 ℃之間，最高溫度位于第1片靶片中心，達(dá)到182.3 ℃，自第6片靶后，由于能量沉積逐漸減小，靶片溫度逐漸降低，第11片靶的溫度降至32 ℃。散熱設(shè)計(jì)表明，采用1.2 mm寬度的流道間隙、冷卻水壓0.4 MPa、冷卻水流量8.4 m3/h、將靶體分成11片厚度不同的靶片時(shí)，能滿足靶體的正常運(yùn)行要求。

表3 靶體散熱設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of target cooling design

圖5 靶體中心各位置的溫度分布Fig.5 Temperature distribution at each position of target center

1.3 遙控維護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)高能質(zhì)子轟擊后，鉭包覆鎢靶片與不銹鋼靶容器均會(huì)發(fā)生輻照效應(yīng)，影響靶體的運(yùn)行壽命，根據(jù)國外的輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及CSNS計(jì)算結(jié)果，100 kW功率下靶體的壽命約為5 a[14]，因此靶體需定期更換。由于被質(zhì)子束轟擊后的靶體具有強(qiáng)放射性，不能進(jìn)行常規(guī)的更換操作，需通過靶體拖車，將靶體運(yùn)載至熱室，操作人員利用熱室內(nèi)配備的動(dòng)力機(jī)械手、主從機(jī)械手、電動(dòng)工具、攝像頭、專用吊具等，在熱室外透過鉛玻璃窗對(duì)靶體進(jìn)行遙控維護(hù)或更換。

靶體的遙控維護(hù)設(shè)計(jì)以操作步驟少、動(dòng)作簡易、安全可靠為原則，通過局部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足遙控更換要求。CSNS靶體采用雙斜面+V形定位結(jié)合端面密封形式，使得靶體在自動(dòng)精準(zhǔn)定位的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與靶體拖車支撐座之間的密封；冷卻水管采用暗管布置，降低了管線對(duì)接時(shí)的繁瑣操作難度[15]；通過調(diào)節(jié)靶體重心，實(shí)現(xiàn)靶體在放置和起吊過程中平穩(wěn)吊裝。研制的靶體拆卸僅需兩個(gè)步驟：1) 利用電動(dòng)扳手松開緊固螺栓；2) 利用專用吊具吊起靶體。

利用激光跟蹤儀對(duì)靶體位置進(jìn)行實(shí)測，測量結(jié)果顯示，靶體的定位精度在x、y、z3個(gè)方向均小于0.2 mm，重復(fù)定位精度小于0.05 mm。利用氦檢漏儀對(duì)靶體與靶體拖車水密封接頭進(jìn)行氦檢漏，漏率為3.4×10-8Pa·m3·s-1，滿足工程設(shè)計(jì)要求。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際操作，證明靶體的遙控維護(hù)動(dòng)作簡捷、操作簡便，為今后靶體的維護(hù)與更換提供了技術(shù)保障。

2 靶體的安裝調(diào)試與運(yùn)行

靶體經(jīng)過制造、組裝、焊接、檢測等工藝后，進(jìn)入CSNS裝置區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場安裝與調(diào)試。采用激光跟蹤儀對(duì)靶體各位置進(jìn)行標(biāo)定，確保靶體安裝到位后的位置精度。靶體安裝完成后進(jìn)行冷卻水密封測試，加壓0.6 MPa，保壓1 h以上，靶體與拖車之間未發(fā)現(xiàn)冷卻水滲漏。在無熱負(fù)載情況下，冷卻水連續(xù)運(yùn)行24 h，靶體工作正常。

CSNS經(jīng)過加速器、靶站各系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，于2017年8月28日首次打靶，并產(chǎn)生了中子束流。在后續(xù)半年多的試運(yùn)行中，靶體的冷卻水溫度、壓力等各項(xiàng)參數(shù)均表現(xiàn)正常，靶體材料也未發(fā)現(xiàn)明顯的輻照損傷。表4列出在不同質(zhì)子束流功率下，靶體的冷卻水運(yùn)行參數(shù)，可看出，在質(zhì)子束流功率為2.2 kW時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差為0.10 ℃，隨質(zhì)子束流功率的不斷增大，靶體冷卻水進(jìn)出口溫差不斷增大，且隨質(zhì)子束流功率增大呈線性變化，在22.5 kW時(shí)，溫差達(dá)到1.20 ℃。由表4還可看出，實(shí)測冷卻水進(jìn)出口溫差比計(jì)算值偏小，在質(zhì)子束流功率為2.2 kW時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差實(shí)測值比計(jì)算值小16.7%，隨功率的增大，冷卻水進(jìn)出口溫差實(shí)測值與計(jì)算值越來越接近，功率為22.5 kW時(shí)，冷卻水進(jìn)出口溫差實(shí)測值比計(jì)算值小6.3%。實(shí)測值比計(jì)算值小，這可能是由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)冷卻水流量為9.1 m3/h，比設(shè)計(jì)值8.4 m3/h略大，增大了冷卻效果。

表4 靶體的冷卻水試運(yùn)行參數(shù)Table 4 Test running parameter of target cooling water

3 結(jié)論

靶體的研制包括鎢靶片的研制、散熱設(shè)計(jì)、遙控維護(hù)設(shè)計(jì)等。CSNS靶體選用鎢為靶材、鉭為包覆層，采用包套法結(jié)合熱等靜壓擴(kuò)散焊工藝制備鉭包覆鎢靶片，成功在鎢塊六面包覆厚度0.3 mm鉭層；靶體的散熱設(shè)計(jì)利用冷卻水散熱，采用一進(jìn)一出的并行流冷卻結(jié)構(gòu)，100 kW質(zhì)子束流功率運(yùn)行情況下靶體最高溫度為182.3 ℃，冷卻水溫升為7.1 ℃；遙控維護(hù)通過局部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用專用的吊具實(shí)現(xiàn)了靶體遙控更換，操作簡單。經(jīng)過半年多的試運(yùn)行，CSNS靶體各參數(shù)滿足CSNS的要求。