本發明專利技術公開了一種基于等離子體窗無窗密封的液態金屬散裂中子靶裝置。本發明專利技術的液態金屬散裂中子靶裝置包括：等離子體窗和液態金屬靶；等離子體窗設置在液態金屬靶的前端；其中，液態金屬靶進一步包括：液體容器，內部裝有液態金屬靶材料；在液體容器的內部設置有高壓腔體、熱交換機和液態金屬循環管道；高壓腔體設置在液體容器的頂部，在底部的中心設有開口；粒子束通過開口與承受束流轟擊部分相接觸；熱交換機在液體容器的內壁上，將熱量排到外界；以及金屬液體通過液態金屬循環管道在液體容器內部循環。本發明專利技術實現了對液態金屬靶的無窗密封；減少粒子束在等離子體窗的通道的束流損耗；減少液態金屬的氣化；減少金屬的蒸汽進入真空管道內。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于核技術及應用領域，具體涉及一種基于等離子體窗無窗密封的液態金屬散裂中子靶裝置。
技術介紹
加速器驅動次臨界系統ADS是利用強流質子加速器轟擊重金屬靶產生散裂中子，為次臨界堆提供外源中子，用以驅動次臨界堆運行。散裂中子靶作為ADS系統中連接強流中能質子加速器和反應堆的耦合部分，其設計成為影響ADS系統穩定安全運行的關鍵技術問題。現有的散裂中子靶主要有三類，分別為固態靶、帶窗體液態靶和無窗液態金屬靶。固體革巴(R&D of a MW-class solid-target for a spallation neutron source, MasayoshiKawai, MichihiroFUrusaka, Journal of Nuclear Materials 318(2003))應用于低功率密度束流條件下，隨著功率密度的增加，由于冷卻效率的限制，固態靶件容易損壞。在更高功率密度下則選用帶窗體或無窗的液態祀。然而帶窗體的液態祀(Window target unit forthe lead—bismuth cooled primary system, D. Coors, D. Vanvor, carried out within thePDS-XADS Work Package 4. 3collaboration)在高溫，高福照的苛刻環境下連續工作，常見的窗體材料都很難達到要求。對于質子束能達到5MW或者更高功率的工作條件下，則只有無窗液態金屬革巴(MYRRHA:Design and verificationexperiments for the windowlessspallation target of the ADS prototype MYRRHA, Katrien VanTichelen, PeterKupschus, Institute ofPhysics, University of Latvia)能夠滿足要求。后兩種祀正處于研究設計階段，兩者各有優缺點，使用壽命都難以確認，因為這由材料腐蝕，輻照損傷(包括高流強中能質子以及高能中子)，以及熱疲勞等多方面因素決定。總的上來講，無窗靶相對有窗靶對輻射損傷不敏感，是最適合的高功率靶設計方案。但由于金屬蒸汽以及自由面的原因，其散熱和水力設計也更復雜得多。現有技術中的無窗液態金屬靶，采用真空腔體，設置在內部裝有液態金屬靶材料的液體容器的頂部，真空腔體的底部的中心設有開口，來自真空管道的粒子束通過真空腔體在開口處與承受束流轟擊部分相接觸。然而，由于承受束流轟擊部分的上表面為真空，液態金屬的液面為自由液面，這種自由液面不穩定，液態金屬易揮發，使得金屬蒸氣通過真空腔體進入到真空管道內，腐蝕真空管道。現有技術中，為防止揮發的金屬蒸氣進入真空管道，對于揮發的液態金屬進行抽真空，然而這種抽真空的裝置的效果不理想，并且造價昂貴。等離子體窗是一種新型的無窗密封技術，可以實現從一個大氣壓到高真空的無窗連接。
技術實現思路
為了克服現有技術中散列中子靶設計在高功率密度工作條件下的問題，本專利技術提供一種基于等離子窗無窗密封的液態金屬散裂中子靶裝置，能夠在高能量密度沉積的強流中能粒子束注入下長時間穩定工作，為次臨界堆提供穩定的中子源。本專利技術的目的在于提供一種基于等離子體窗無窗密封的液態金屬散裂中子靶裝置。本專利技術的液態金屬散裂中子靶裝置包括等離子體窗和液態金屬靶；等離子體窗設置在液態金屬靶的前端；其中，液態金屬靶進一步包括液體容器，內部裝有液態金屬靶材料；在液體容器的內部設置有高壓腔體、熱交換機和液態金屬循環管道；高壓腔體設置在液體容器的頂部，在底部的中心設有開口 ；粒子束通過開口與承受束流轟擊部分相接觸；熱交換機在液體容器的內壁上，將熱量排到外界；以及液態金屬通過液態金屬循環管道在液體容器內部循環。本專利技術的液態金屬靶的液體容器內設置有高壓腔體，內部充滿高壓的惰性氣體。本專利技術利用等離子體窗，實現了真空管道與高壓腔體之間的無窗密封連接。高壓腔體可以在液態金屬的液面上存在一個高氣壓作用，能更好的控制液態金屬的液面，可以更容易設計出穩定的液態金屬循環系統，實現對靶材料的連續冷卻，減少合金的氣化；同時，高壓腔體內注入的低溫高壓惰性氣體對金屬合金蒸汽具有冷卻作用，使大部分金屬蒸汽沉降到底部，從而減少其進入真空管道內。在高壓腔體的底部的開口處，由于高壓氣體的壓力與液態金屬的液面的壓力維持平衡，該表面形成了粒子束與液態金屬的反應面。在該表面，粒子束與液態金屬反應，高密度能量沉積使得反應面周圍的金屬溫度迅速升高。但是由于整個底部置于冷卻的液態容器中，受熱液體金屬在一個形狀像倒置的漏斗的液態金屬循環管路的約束下，受熱的高溫液態金屬會上浮，并且由于液態金屬的循環管路在反應面處截面積最小，使得流速加快提高冷卻效果；上升的熱流體在頂部的熱交換機進行冷卻。由于冷卻后的液體金屬的密度更大，會自動下沉到底部推動底部受熱的液體向上浮動，于是在整個液體容器內形成自然回流。本專利技術進一步包括供氣裝置，在等離子體窗與液態金屬靶相連接的部分設置有進氣孔，供氣裝置通過進氣孔，將低溫的惰性氣體輸入至高壓腔體內。本專利技術的等離子體窗包括電弧放電系統和抽真空系統；抽真空系統位于電弧放電系統的前端，并且在其頂部設置有粒子束注入端口。電弧放電系統進一步包括等離子體密封窗窗體，窗體是由多片中間襯有絕緣片的金屬板組成，每片金屬板與絕緣片的中間均開有孔徑相同的小孔，多片金屬板和絕緣片的小孔形成了等離子體通道；在等離子體通道的一端設置陰極；在等離子體通道另一端設置陽極。在陰極和陽極之間加上引弧高壓，可使等離子體通道內發生放電，放電后，等離子體通道內的電阻降低，陰極和陽極之間一個高電壓。等離子體通道內通過的電流越大，在等離子體通道的兩端產生的壓力差越大，隔離了真空與高壓，從而起到了等離子體窗的密封作用。抽真空系統由兩級以上抽真空裝置組成，抽氣后可以達到IO4Pa的高真空。第一級抽真空裝置的頂部設置有粒子束注入端口強流中能粒子束從粒子束注入端口進入等離子體窗；等離子體窗形成的磁場對強流中能粒子束具有一定的聚焦作用，減少粒子束在等離子體窗的通道的束流損耗。等離子體窗進一步設置有氣體回收系統，氣體回收系統的一端連接抽真空系統的前端，另一端連接進氣孔，從而將通過等離子體窗的惰性氣體重新輸送回高壓腔體內。高壓腔體設置在液體容器的頂部，為了使得自由擴束的粒子束能夠通過，其半徑大于IOcm;高壓腔體的底部為半球形，在底部的中心設有開口。由于等離子體窗進行無窗密封，可以在液態金屬的液面上存在一個高氣壓作用，能更好的控制液態金屬的液面，可以更容易設計出穩定的液態金屬循環系統，實現對靶材料的連續冷卻，減少液態金屬的氣化。進一步，高壓腔體內注入的低溫高壓的惰性氣體對液態金屬的蒸汽具有冷卻作用，使大部分金屬的蒸汽沉降到底部，從而減少其進入真空管道內。本專利技術的優點I)實現了對液態金屬靶的無窗密封，等離子體窗密封高壓氣體的等效厚度遠小于傳統金屬靶窗材料的厚度，因而可以減少其對強流中能粒子束的能損以及束流損耗，同時省去了傳統有窗靶設計對靶窗材料的苛刻要求，突破了散熱和輻照損傷對靶設計的瓶頸；2)等離子體窗本身形成的磁場對強流中能粒子束具有一定的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種液態金屬散裂中子靶裝置，其特征在于，所述散裂中子靶裝置包括：等離子體窗（6）和液態金屬靶；等離子體窗（6）設置在液態金屬靶的前端；其中，液態金屬靶進一步包括：液體容器（1），內部裝有液態金屬靶材料；在液體容器（1）的內部設置有高壓腔體（2）、熱交換機（3）和液態金屬循環管道（4）；高壓腔體（2）設置在液體容器（1）的頂部，在底部的中心設有開口；粒子束通過開口與承受束流轟擊部分（5）相接觸；熱交換機（3）在液體容器（1）的內壁上，將熱量排到外界；以及液態金屬通過液態金屬循環管道（4）在液體容器內部循環。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱昆，黃勝，史本良，袁忠喜，陸元榮，楊磊，張雪熒，魏國東，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：
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