一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置

1.本发明涉及高能粒子加速器技术领域，具体涉及一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置。


背景技术：

2.化石能源比重将下降，核能与可再生能源比重将上升，未来能源系统将注定会更加低碳、环境友好且多元化。通过减少废物，尤其是高放废物，以更加环境友好的方式生产核能的方法将增强未来核能的潜力。如何妥善处理处置我国核电运行过程中产生的高放废物，实现核废物最少化，实现我国核能的可持续发展，是一个亟待解决的问题。
3.加速器驱动次临界装置(accelerator driven sub-critical system，简称ads)将粒子加速器与反应堆结合，提供能量约为1gev的连续波质子束形成强流质子，强流质子被注入到次临界堆内的散裂靶上，产生中子并驱动次临界堆运行。加速器驱动次临界装置内的单散裂靶会聚集热量导致次临界堆内的热量集中，功率峰因子偏高，远高于常规的临界堆。在工程上为了降低功率峰因子，一般采用内外燃料分区布置，内区设置低集度燃料、外区设置高富集度燃料。这种方案不仅降低了质子束流的效率，给散裂靶的设计带来挑战，还限制次临界堆芯功率最高可达功率，降低燃料的燃烧效率。
4.简而言之，目前的单散裂靶驱动的加速器驱动次临界装置存在热量聚集而限制能量放大倍数的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，用以解决目前的单散裂靶驱动的加速器驱动次临界装置存在热量聚集而限制能量放大倍数的问题。
6.本发明提供一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，包括超导直线加速器、分束装置、若干根束流管道、次临界堆桶、核燃料组件和冷却剂循环系统，所述超导直线加速器的出口通过所述分束装置与若干根所述束流管道对接；所述核燃料组件包括若干根轰击靶管、若干核燃料管和若干根堆芯反射管，均竖直设置于所述次临界堆桶内；所述轰击靶管的上端内部穿插有内管，所述内管的底部焊接有靶窗，若干根束流管道的出口端穿入次临界堆桶内并分别插入若干根轰击靶管顶端的内管的内部；每个核燃料管包括一根核燃料棒，若干核燃料管包围轰击靶管；若干根堆芯反射管围绕若干根核燃料管设置；所述冷却剂循环系统包括若干组冷却循环管路，每组冷却循环管路包括一个次临界堆主泵和一个次临界堆换热器，若干组冷却循环管路的次临界堆主泵和次临界堆换热器相连通且围绕若干根堆芯反射管环向设置。
7.优选地，所述分束装置包括至少一个一级分束器和若干根二级分束器，所述一级分束器包括一个进口和若干根出口，所述一级分束器的进口与超导直线加速器的出口对接；二级分束器包括一个进口和若干根出口，每个所述二级分束器的进口与所述一级分束
器的一个出口对接；每根束流管道的进口对接一个所述二级分束器的一个出口。
8.优选地，相邻所述核燃料管之间紧密相靠形成一个横截面为六边形的管束簇，六根轰击靶管均匀分布在所述管束簇中；六根轰击靶管在所述管束簇的横截面所在的点的首尾依次相连形成一个六边形，且六根轰击靶管在所述管束簇的横截面所在的相邻点的连线与管束簇的外边缘的边分别相互平行；若干根堆芯反射管设置于管束簇的外侧，且若干根堆芯反射管的横截面的外侧面所在的边的连线为六边形。
9.优选地，所述靶窗的高度与所述核燃料棒的高度相当。
10.优选地，所述次临界堆桶的底部设置有堆芯栅板支撑底座，所述堆芯栅板支撑底座内部为一腔体；所述次临界堆桶的中上部设置有冷却剂储液腔；所述次临界堆桶下部且位于所述堆芯栅板支撑底座上方沿着次临界堆桶的内壁环向设置有次临界堆桶下部环形腔，所述次临界堆桶下部环形腔以次临界堆桶的桶壁作为外圈、以冷却剂储液腔的外壁为内圈及堆芯栅板支撑底座围成一个密封的环形空间，所述核燃料组件设置于所述次临界堆桶下部环形腔的内圈所围成的所述冷却剂储液腔内。
11.优选地，所述堆芯栅板支撑底座的上面设置有堆芯栅板，所述轰击靶管、若干所述核燃料管和若干根所述堆芯反射管的底部共同固定连接在所述堆芯栅板上。
12.优选地，每个所述轰击靶管和每个所述核燃料管的底端连通有轰击靶管管脚，轰击靶管和核燃料管通过轰击靶管管脚固定在堆芯栅板之上；所轰击靶管管脚的管壁上设置有冷却剂进口，每个轰击靶管和每个核燃料管的顶端设置有冷却剂出口。
13.优选地，所述堆芯栅板开设有若干根通孔，轰击靶管和核燃料管插入到堆芯栅板的通孔上固定并露出轰击靶管管脚，以使所述轰击靶管管脚的冷却剂进口伸入至所述堆芯栅板支撑底座内；所述轰击靶管和所述核燃料管的顶端暴露在所述冷却剂储液腔内，以使每个轰击靶管和每个核燃料管顶端的冷却剂出口与所述冷却剂储液腔相通。
14.优选地，所述次临界堆桶的桶口配置有堆芯顶盖，束流管道穿过堆芯顶盖插入至次临界堆桶内的轰击靶管顶端的内部。
15.优选地，所述次临界堆主泵的底端设置有出液口，所述次临界堆主泵的底端的侧壁设置有主泵回液口，所述次临界堆主泵的底端穿至所述次临界堆桶下部环形腔的内部，所述次临界堆主泵的主泵回液口暴露在所述次临界堆桶下部环形腔内，所述次临界堆桶下部环形腔内设置有冷却剂进液管，所述次临界堆主泵底端的出液口通过所述冷却剂进液管与所述堆芯栅板支撑底座侧壁的进液端相连通；所述次临界堆换热器的侧壁设置有换热器放热侧进液口，所述次临界堆换热器的底端设置有换热器放热侧出液口，所述次临界堆主泵从所述冷却剂储液腔穿过，且所述次临界堆主泵的底端穿至所述次临界堆桶下部环形腔的内部，所述次临界堆换热器的换热器放热侧进液口暴露在所述冷却剂储液腔内，所述次临界堆换热器的换热器放热侧出液口暴露在所述次临界堆桶下部环形腔内。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明公开了一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，核燃料组件堆芯多个位置分别布置轰击靶管，将多个轰击靶管替换现有的单一高功率靶，粒子束流经超导直线加速器加速、分束装置分束后，经束流管道分配到多个轰击靶管，高能粒子流分别轰击靶窗产生中子，中子运动至核燃料管，与核燃料棒发生核反应产生大量的热量；同时采用液态铅或者液态铅铋合金作为堆芯冷却剂，冷却剂与轰击靶管的靶窗及核燃料管的燃料棒上
的热量发生换热，最终由冷却剂将热量带出来。本发明公开的超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，相较于现有的加速器嬗变装置，提高加速器嬗变装置的功率放大倍数，提高产能效率和装置总功率，提高散裂靶寿命，降低了次临界堆功率峰因子。
附图说明
18.图1为本发明实施例1提供的超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置的外部结构示意图；
19.图2为本发明实施例1提供的超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置的内部结构示意图；
20.图3为本发明实施例1提供的核燃料组件的内部结构示意图；
21.图4为本发明实施例1提供的核燃料组件内的轰击靶管与核燃料管的连接关系的结构示意图；
22.图5为本发明实施例1提供的次临界堆桶的堆芯顶盖的俯视图；
23.图6为本发明实施例1提供的冷却剂循环系统的结构示意图。
24.附图标记说明：1-超导直线加速器；21-一级分束器，22-二级分束器；3-束流管道，30-靶窗；4-次临界堆桶，41-堆芯顶盖，42-堆芯栅板，43-次临界堆桶下部环形腔，44-堆芯栅板支撑底座，45-冷却剂储液腔；5-核燃料组件，50-轰击靶管，500-轰击靶管管脚，501-冷却剂进口，502-冷却剂出口；51-核燃料管，510-核燃料棒；52-堆芯反射管；6-冷却剂循环系统，61-次临界堆主泵，610-主泵回液口；62-冷却剂进液管，63-次临界堆换热器，631-换热器放热侧进液口，632-换热器放热侧出液口。
具体实施方式
25.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
26.本发明公开了一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，粒子束流经超导直线加速器1加速后到达设定能量形成初始束流，初始束流通过一级分束器21和二级分束器22多级分束后，被分束装置分流后形成六股次束流，每股次束流分别穿过若干根束流管道3轰击轰击靶管50的靶窗30产生大量的中子，中子向外运动至轰击靶管50周围的核燃料管51，与核燃料管51内的核燃料棒510发生核反应产生大量的热量，同时采用液态铅或者液态铅铋合金作为堆芯冷却剂，冷却剂流经轰击靶管50和核燃料管51，分别与靶窗30和燃料棒510换热，最终热量由冷却剂带至次临界堆换热器63后而从堆芯带离出来。
27.实施例1
28.实施例1提供一种超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，下面结合附图对其结构进行详细描述。
29.参考图1至图2，该超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置包括一个超导直线加速器1、分束装置、六根束流管道3、一个次临界堆桶4、核燃料组件5和冷却剂循环系统6。
30.所述分束装置包括一个一级分束器21和三个二级分束器22，一级分束器21和二级分束器22配置有二极磁铁，能将质子束流分束。
31.具体地，继续参考图1和图2，一级分束器21包括一个进口和三个出口，所述一级分束器21的进口与超导直线加速器1的出口对接；二级分束器22包括一个进口和两个出口，每
个所述二级分束器22的进口与所述一级分束器21的一个出口对接；每根束流管道3的进口对接一个所述二级分束器22的一个出口。
32.参考图3，所述核燃料组件5包括六根轰击靶管50、若干核燃料管51和若干根堆芯反射管52，均竖直设置于所述次临界堆桶4内。
33.具体地，所述轰击靶管50的上端内部穿插有内管，所述内管的底部焊接有靶窗30，所述靶窗30为半球形，用于设置铅、铋的原子核。六根束流管道3的出口端穿入次临界堆桶4内并分别插入六个轰击靶管50的内管的内部。
34.所述核燃料组件5内规则布置多个核燃料管51，每个核燃料管51包括一根核燃料棒510。具体地，核燃料棒510的外壁与核燃料管51的内部之间存有环形间隙，以供冷却剂穿行，便于带走核燃料管51内的核燃料棒510被中子轰击后产生的热量。
35.若干核燃料管51包围六根轰击靶管50。
36.优选地，为了便于靶窗30产生的中子扩散到核燃料管51内的核燃料棒510，所述靶窗30的高度与所述核燃料棒510的高度相当，如图4所示。
37.优选地，相邻核燃料管51之间紧密相靠形成一个横截面为六边形的管束簇，六根轰击靶管50均匀分布在所述管束簇中。更具体地，六根轰击靶管50在所述管束簇的横截面所在的点的首尾依次相连形成一个六边形，且六根轰击靶管50在所述管束簇的横截面所在的相邻点的连线与管束簇的外边缘的边分别相互平行。
38.若干根堆芯反射管52围绕若干根核燃料管51设置，如图3所示。具体地，若干根堆芯反射管52设置于管束簇的外侧，且若干根堆芯反射管52的横截面的外侧面所在的边的连线为六边形。
39.具体地，参考图2和图6，所述次临界堆桶4的底部设置有堆芯栅板支撑底座44，所述堆芯栅板支撑底座44内部为一腔体；所述次临界堆桶4的中上部设置有冷却剂储液腔45；所述次临界堆桶4下部且位于所述堆芯栅板支撑底座44上方沿着次临界堆桶4的内壁环向设置有次临界堆桶下部环形腔43，所述次临界堆桶下部环形腔43以次临界堆桶4的桶壁作为外圈、以冷却剂储液腔45的外壁为内圈及堆芯栅板支撑底座44围成一个密封的环形空间，所述核燃料组件5设置于所述次临界堆桶下部环形腔43的内圈所围成的所述冷却剂储液腔45内。
40.继续参考图2和图4，所述堆芯栅板支撑底座44的上面设置有堆芯栅板42，所述轰击靶管50、若干所述核燃料管51和若干根所述堆芯反射管52的底部共同固定连接在所述堆芯栅板42上。
41.更具体地，继续参考图4，每个轰击靶管50和每个核燃料管51的底端连通有轰击靶管管脚500，轰击靶管50和核燃料管51通过轰击靶管管脚500固定在堆芯栅板42之上。
42.所轰击靶管管脚500的管壁上设置有冷却剂进口501，每个轰击靶管50和每个核燃料管51的顶端设置有冷却剂出口502。
43.具体地，堆芯栅板42开设有若干根通孔，轰击靶管50和核燃料管51插入到堆芯栅板42的通孔上固定并露出轰击靶管管脚500，以使所述轰击靶管管脚500的冷却剂进口501伸入至所述堆芯栅板支撑底座44内；
44.所述轰击靶管50和所述核燃料管51的顶端暴露在所述冷却剂储液腔45内，以使每个轰击靶管50和每个核燃料管51顶端的冷却剂出口502与所述冷却剂储液腔45相通。
45.在该实施例中，轰击靶管50和核燃料管51的冷却剂流经部分具有相同的结构，最大程度上保证了次临界堆芯的冷却剂流动统一性和协调性，带来了维护和操作的便利。
46.优选地，继续参考图2和图6，每个堆芯反射管52的底端连通有轰击靶管管脚500，堆芯反射管52通过轰击靶管管脚500固定在堆芯栅板42之上。堆芯反射管52的轰击靶管管脚500的管壁上设置有冷却剂进口501，堆芯反射管52的轰击靶管管脚500的冷却剂进口501伸入至所述堆芯栅板支撑底座44内；每个堆芯反射管52的顶端设置有冷却剂出口502，所述堆芯反射管52顶端的冷却剂出口502暴露在所述冷却剂储液腔45内。
47.进一步地，次临界堆桶4的桶口配置有堆芯顶盖41，束流管道3穿过堆芯顶盖41插入至次临界堆桶4内的轰击靶管50顶端的内部，如图2和图4所示。
48.继续参考图2，冷却剂循环系统6包括若干组冷却循环管路，每组冷却循环管路包括一个次临界堆主泵61和一个次临界堆换热器63，若干组冷却循环管路的次临界堆主泵61和次临界堆换热器63相连通且围绕所述核燃料组件5环向设置。
49.具体地，参考图5，冷却剂循环系统6包括三组冷却循环管路，每组冷却循环管路包括一个次临界堆主泵61和一个次临界堆换热器63，三个次临界堆主泵61和三个次临界堆换热器63以所述核燃料组件5为圆心围绕所述核燃料组件5环向设置。
50.所述次临界堆主泵61的底端设置有出液口，所述次临界堆主泵61的底端的侧壁设置有主泵回液口610，
51.所述次临界堆主泵61的底端穿至所述次临界堆桶下部环形腔43的内部，所述次临界堆主泵61的主泵回液口610暴露在所述次临界堆桶下部环形腔43内，所述次临界堆桶下部环形腔43内设置有冷却剂进液管62，所述次临界堆主泵61底端的出液口通过所述冷却剂进液管62与所述堆芯栅板支撑底座44侧壁的进液端相连通；
52.所述次临界堆换热器63的侧壁设置有换热器放热侧进液口631，所述次临界堆换热器63的底端设置有换热器放热侧出液口632，
53.所述次临界堆主泵61从所述冷却剂储液腔45穿过，且所述次临界堆主泵61的底端穿至所述次临界堆桶下部环形腔43的内部，所述次临界堆换热器63的换热器放热侧进液口631暴露在所述冷却剂储液腔45内，所述次临界堆换热器63的换热器放热侧出液口632暴露在所述次临界堆桶下部环形腔43内。
54.其中，超导直线加速器1用于加速质子束流形成初始束流；
55.分束装置用于将分流后的初始束流形成多股次束流；
56.冷却剂采用液态铅或者液态铅铋合金作为堆芯冷却剂，用于将核燃料组件5内的热量带走；
57.堆芯栅板支撑底座44用于储存冷却剂；
58.次临界堆换热器63用于与冷却剂的热量换热，降低冷却剂的温度。
59.实施例2
60.实施例2提供一种强流超导直线加速器分多束驱动装置的冷却方法，采用实施例1提供的超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，该冷却方法包括以下步骤：
61.步骤a1：堆芯栅板支撑底座44储存的冷却剂从轰击靶管管脚500的管壁上的冷却剂进口501进入轰击靶管50或核燃料管51内，其中，轰击靶管50内的冷却剂流经靶窗30时发生换热而升温，然后从轰击靶管50顶端的冷却剂出口502流出；核燃料管51内的冷却剂流经
核燃料棒510时发生换热而升温，然后从核燃料管51顶端的冷却剂出口502流出；
62.步骤a2：从轰击靶管50和核燃料管51顶端的冷却剂出口502流出的冷却剂流入至冷却剂储液腔45，并于冷却剂储液腔45聚集，直至冷却剂的液面漫至次临界堆换热器63的换热器放热侧进液口631；
63.步骤a3：冷却剂通过换热器放热侧进液口631流入至次临界堆换热器63内，在次临界堆芯冷却剂在换热器63内发生热量交换，冷却剂降温；
64.步骤a4：降温后的冷却剂从换热器放热侧出液口632流入到次临界堆桶下部环形腔43，并于次临界堆桶下部环形腔43聚集，直至冷却剂的液面漫至次临界堆桶下部环形腔43内的次临界堆主泵61侧面的主泵回液口610；
65.步骤a5：降温后的冷却剂通过主泵回液口610进入到次临界堆主泵61内，次临界堆主泵61将降温后的冷却剂通过冷却剂进液管62输送至堆芯栅板支撑底座44内储存；
66.步骤a6：储存在堆芯栅板支撑底座44的冷却剂在次临界堆主泵61的推动下，通过轰击靶管管脚500的冷却剂进口501进入轰击靶管50和核燃料管51，重复步骤a1至步骤a5，由此形成冷却剂的循环冷却。
67.实施例3
68.实施例3提供一种强流超导直线加速器分多束驱动的方法，采用实施例1提供的超导直线加速器的束流分束驱动次临界装置，该方法包括以下步骤：
69.步骤b1：质子束流经超导直线加速器1加速，从超导直线加速器1的出口流出形成初始束流；
70.步骤b2：初始束流从超导直线加速器1的出口流出后流入至一级分束器21，在一级分束器21内受到二极磁铁作用发生偏转，一分为三形成三股束流；
71.步骤b3：三股束流分别进入二级分束器22，二级分束器22将每股束流一分为二，形成六股次束流；
72.步骤b4：每股次束流分别穿过若干根束流管道3，射入轰击靶管50的内管，直至轰击靶窗30内的铅、铋的原子核，发生散裂反应产生高能中子；
73.步骤b5：高能中子输运到核燃料组件5内发生裂变中子倍增，同时引发核燃料裂变、增殖、嬗变，释放大量的裂变能，束流能量得到放大；
74.步骤b6：冷却剂按照实施例2的方法，被次临界堆主泵61推向轰击靶管50和核燃料管51，将核燃料组件5内的热量带走。
75.具体地，所述初始束流的能量在500mev～2gev之间，束流强度为0～100ma。
76.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。