一种适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统技术方案

本发明专利技术涉及一种氘氚聚变中子源的高载热靶系统，包括氘束流、束流扫描驱动装置、靶片、靶片驱动装置、冷却结构、冷却介质、冷却介质循环系统、束流传输腔室、冷却介质动密封结构、真空动密封结构；束流扫描驱动装置用于驱动氘束流移动；氘束流位于束流传输腔室内移动；靶片驱动装置驱动靶片移动；靶片设置在氘束流的移动路径上；氘束流轰击所述靶片形成的靶点；冷却结构设置在靶点所在的靶片区域；冷却介质填充在冷却结构内；冷却介质通过所述冷却介质循环系统实现循环，利用该发明专利技术可实现强流氘氚聚变中子源的氚靶系统在承受大于100kw/cm

A high load thermal target system suitable for deuterium tritium fusion neutron source

The high heat load target system of the invention relates to a deuterium tritium fusion neutron source, including deuterium beam, beam scanning driving device, target, target drive device, cooling structure, cooling medium and cooling medium circulation system, the beam transfer chamber, cooling medium, dynamic sealing structure of vacuum dynamic sealing structure; beam stream scanning driving device for driving deuterium beam moving beam; deuterium beam transport in the chamber of mobile target; drive mobile target; target plate is arranged on the moving path of deuterium beam; deuterium beam bombardment of the target plate is formed; cooling structure is arranged in the target area the target point; the cooling medium is filled in the cooling structure; cooling medium through the cooling medium circulation system for recycling use of the invention can realize high current deuterium tritium fusion neutron source of the tritium target system under more than 100kw/cm

【技术实现步骤摘要】
一种适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统
本专利技术涉及氘氚聚变中子源的高载热靶系统。通过该专利技术可实现氚靶系统在承载大于100kw/cm2的氘束流轰击的同时保持靶片的较低温度小于200℃，进而产生14MeV高能聚变中子。
技术介绍
超高流强氘氚聚变中子源利用加速器产生的高能强流氘束流轰击氚靶，发生氘氚聚变反应产生14MeV单能中子，氚靶系统是此类中子源的核心部件，氚靶系统的性能直接决定了中子源性能的核心参数—中子产额和运行稳定性。超高流强氘氚聚变中子源的靶片，通常采用导热性能良好金属作为底衬，在厚度为毫米量级的底衬表面上镀膜，然后利用膜吸附氚或氘，从而将氚或氘固定在靶片上。影响氚靶系统稳定运行最关键的因素是如何控制靶点的较低温度。当强流氘离子束轰击氚靶时，根据中子源强的不同，所需的氘束流的能量和流强也不同，例如针对目前较常规的到靶能力为400keV的中子源，为获得1×1012n/s中子源强，氘束流的流强需要最达到5mA，氘束流能量为2kw；为获得1×1013n/s中子源强，氘束流的流强需要最达到50mA，氘束流能量为20kw；为获得1×1014n/s中子源强，氘束流的流强需要最达到500mA，氘束流能量为200kw；中子源的氘氚反应中，氘氚反应消耗的能量占束流能量的比例很小，绝大部分作为热量沉积到靶片上，针对中子源的实验需要，氘束流的束斑直径一般为1～5cm，因此，针对不同源强的中子源，靶片所需要承受的氘束流轰击的热流密度为2kw/cm2至100kw/cm2及以上，针对如此高的热量沉积，如果对靶片没有做到有效的冷却，靶片会瞬间融化，同时针对固态吸氘或吸氚靶片，一旦靶片温度超过200℃，靶片中的氚或氘会大量释放，不仅使得中子产额与氚靶片寿命的直线下降，而且放射性的氚会增加氚净化系统的负担，造成潜在的环境污染风险。因此靶片在承受高热流密度情况下保持靶片较低温度是中子源靶系统设计的关键问题，也是超高流强氘氚聚变中子源提高中子产额、增加运行稳定性的保障。随着先进核能与核技术应用的发展，现有聚变中子源越来越难以满足聚变能、裂变能、国防、核技术利用等领域日益增长的实验需求。尤其是中子产额在1014-1015n/s量级的超高流强聚变中子源将是开展聚变中子学实验来验证聚变中子输运理论、完善核截面数据的有力工具，是实现聚变堆材料辐照测试，研究结构材料、绝缘材料、诊断部件等在高流强聚变中子辐照环境下的性能变化趋势及机理的不可代替手段，是聚变堆走向工程应用前解决聚变中子学及相关核技术问题的必要实验平台。具体举例如下：以聚变材料辐照实验为例，国际热核实验堆ITER赤道面第一壁中子负载达到0.78MW/m2，对应聚变中子通量约为4×1013n/s·cm2，结构材料所承受的辐照剂量在国际热核聚变实验堆ITER装置中约为1～3dpa(ITER实际D-T燃烧时间仅为2.3％)，在聚变商用堆中可高达150dpa以上。要开展聚变材料辐照损伤机理研究，获得有参考价值的研究结果，要求辐照空间内的中子通量与ITER第一壁处相当，材料辐照剂量至少达到1dpa量级。若使用现有的流强为1012n/s量级的中子源，中子通量最大处约1011n/s·cm2量级，辐照时间约需要100年，而如果用流强为1014n/s量级的中子源则中子通量最大可达1013n/s·cm2量级以上，只需要1年时间。因此，即便仅是14MeV中子对材料的辐照损伤的机理研究，基于现有中子源也难以开展。同时超高流强聚变中子源也可在核医学与放射治疗、核测井与探矿、同位素生产、中子照相和中子活化分析等国民经济和人民生活直接相关的领域实现研究应用。如快中子照相技术：快中子具有更强的穿透能力，能够分析大尺度复杂器件中元素的空间分布和材料结构差异等信息，可满足航空航天、核材料和军工等领域需求；医用同位素生产：利用强流氘氚中子源可使用低浓缩铀靶或98Mo靶生产医用放射性核素99mTc，监管成本低且生产灵活，具有广阔的应用前景；快中子活化分析技术：利用快中子活化高精度测定痕量元素(如O、Si、P、Te、Pb等)，满足在冶金、生物、环境、地质和考古等各方面的应用需要。目前国内外中子源靶系统为保持靶片的温度处于允许范围内，一般的解决方案为采用氘束流固定不动，偏心持续轰击靶片，靶片一定的速度(800～1100rpm)进行高速旋转，同时靶片背后使用水进行的方式，进行实时冷却从而使得靶片的温度保持在允许范围内。该解决方案制约于旋转速度的提高有限度和冷却结构的散热能力，以及水对中子的慢化，因此目前仅能最高满足约1012n/s的中子的产生。针对更高中子源强的实验需要，目前的解决方案无法实现。基于现有的解决方案，在靶片承受高于100kw/cm2的热量沉积时，需要大幅度增大靶片直径和提高靶片转速，减少单点承受热量的时间，以及提高水冷结构的散热能力，根据数值模拟分析结果，针对靶片承受100kw/cm2热量沉积，需要靶片直径至少达到500mm，转速达到约10000rpm，针对此类高指标参数，现有的解决方案无法完全满足，且转速的提高及靶片直径的加大对靶片散热的有效效果存在极限值(转速和靶片直径达到一定量级，靶片承受热量的时间内水冷结构将无法及时进行散热)，靶系统仅仅采用带传动驱动直径约200mm的靶片旋转，转速约为1100rpm，转速继续提高，仅仅使用带传动无法达到预期转速，不仅为出现皮带打滑，传动效率低下等问题，同时大直径薄靶片(针对实验需求，靶片的厚度一般为数毫米量级)在高速旋转下高压力作用下(目前的水冷方式对靶片会造成大于0.8MPa的压力加载)的结构稳定性存在很大问题。针对源强更高的中子源靶系统，基于现有的解决方案，其动密封同样存在较大的问题，氘束流在传输过程中，需要保持一定的真空度，一般为10-3Pa～10-5Pa之间，因此需要在运动的靶系统与静止的加速器之间使用真空动密封结构，同样，针对运行的靶系统，需要使冷却介质动密封，防止冷却介质高速旋转的靶系统中泄漏至外部，一方面泄漏的冷却介质会影响其他系统的正常运行，同时是渗透有放射性氚的冷却介质的泄漏会造成环境污染和难以回收，基于现有的解决方案，冷却介质均为水。目前的真空动密封结构有耐磨式填料密封和磁流体密封两种，仅仅使用填料密封作为真空动密封结构，无论使用何种材料，均存在使用寿命短，需要定期更换的缺点，针对靶系统，定期更换关键部件会造成人员辐射防护困难、放射性废物增加等问题，目前使用的磁流体密封结构为传统结构，即轴承与磁流体密封一体，一般轴承对称分布两侧，中间安装有磁铁，磁铁的磁场作用将动、静部件之间的狭缝沟槽内的磁液进行束缚，达到密封的效果，磁流体密封是真空动密封的一种较好的解决方案，但此种结构同样存在局限性，在较低转速(3000rpm以下)的系统中，磁流体可以起到很好的密封作用，当转速提高或者旋转轴直径加大，动密封处的线速度增大，会直接达到部件、轴承温度升高，现有的磁流体结构中的冷却很难冷却到密封界面处，磁流体液的耐热温度一般为120℃，轴承的温度传递给磁液和磁铁，会直接导致磁液蒸发或磁铁退磁，失去密封效果。目前的冷却介质动密封结构基本上使用加长真空室长度和增大冷却腔，使水进行自由回落，配合部分填料密封作为辅助，同样如上所说，填料密封并不适合中子源的靶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统，其特征在于：包括氘束流(9)、束流扫描驱动装置(10)、靶片(1)、靶片驱动装置(6)、冷却结构(2)、冷却介质(4)、冷却介质循环系统(11)、束流传输腔室(8)、冷却介质动密封结构(5)、真空动密封结构(7)；所述束流扫描驱动装置(10)用于驱动氘束流(9)移动；所述氘束流(9)位于束流传输腔室(8)内移动；所述靶片驱动装置(6)驱动靶片(1)移动；所述靶片(1)设置在氘束流(9)的移动路径上；所述氘束流(9)轰击所述靶片(1)形成的靶点(3)；所述冷却介质(4)填充在冷却结构(2)内；所述冷却介质(4)通过所述冷却介质循环系统(11)实现循环。

【技术特征摘要】
1.一种适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统，其特征在于：包括氘束流(9)、束流扫描驱动装置(10)、靶片(1)、靶片驱动装置(6)、冷却结构(2)、冷却介质(4)、冷却介质循环系统(11)、束流传输腔室(8)、冷却介质动密封结构(5)、真空动密封结构(7)；所述束流扫描驱动装置(10)用于驱动氘束流(9)移动；所述氘束流(9)位于束流传输腔室(8)内移动；所述靶片驱动装置(6)驱动靶片(1)移动；所述靶片(1)设置在氘束流(9)的移动路径上；所述氘束流(9)轰击所述靶片(1)形成的靶点(3)；所述冷却介质(4)填充在冷却结构(2)内；所述冷却介质(4)通过所述冷却介质循环系统(11)实现循环。2.根据权利要求1所述的适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统，其特征在于：所述束流扫描驱动装置(10)驱动氘束流(9)的移动路径呈现圆、直线、曲线中的一种或多种组合状态。3.根据权利要求1所述的适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统，其特征在于：所述靶片驱动装置(6)驱动靶片(1)呈现旋转、摆动、直线往复运动中的一种或多种组合状态。4.根据权利要求1所述的适用于氘氚聚变中子源的高载热靶系统，其特征在于：所述束流扫描驱动装置(10)内设置有磁场单元，并通过磁场单元的磁场驱动带电氘束流(9)。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宜灿，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34