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CARR冷中子源中子性能和自稳特性优化研究

作　者: 沈峰
导　师: 袁履正；柯国土
学　校: 中国原子能科学研究院
专　业: 核能科学与工程
关键词: CARR 冷中子源中子性能冷中子增益自稳特性
分类号: TL35
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

利用研究堆冷中子源装置提供的冷中子进行中子散射实验，已在众多基础科学和应用科学领域得到了广泛的应用，中子散射尤其是冷中子散射是CARR最重要的应用。中子性能是冷中子源装置是否有效和先进的最主要判断标准，而自稳特性是冷中子源装置能否稳定运行并稳定地提供冷中子束流的重要指标。由于CARR的多用途、高功率和低浓铀等特点，以及冷中子源的开堆停源工况等要求，加上在国际上也没有可直接借鉴的对象，这给CARR冷中子源装置的设计带来了极大的难度。为了解决CARR冷中子源氢回路的热工难点，采用了国际上尚无先例的带助冷两相热虹吸冷却方式。本论文就是基于CARR设计和运行特征，围绕冷中子源系统中子性能和自稳特性的优化展开了全面而深入的理论研究。论文共分为三个部分。第一部分在回顾中子和中子源的发展历程的基础上，介绍了冷中子源装置及其应用于中子散射实验的现状及前景，着重说明了开展中子性能和自稳特性优化的必要性和重要性，随后简要地介绍了CARR和CARR冷中子源装置的情况。第二部分阐述了CARR冷中子源中子性能的优化研究。在分析冷包内冷中子注量率分布的基础上，提出了液氢横截面形状为月牙形、外壳为圆柱形的新型月牙形冷包结构。进而设计了同心圆和偏心圆两种内部结构，通过对两种内部结构下液氢厚度和开口尺寸的优化，最后选择出具有较好中子性能的冷包结构。在此基础上，对冷包内冷中子注量率、中子温度和中子能谱等也进行了分析，证明了计算和分析方法是正确的，优化方案的中子性能是合理的。同时，对CARR冷中子源冷中子亮度和冷中子增益进行了分析，并与ORPHEE和NIST的NBSR(2001年改造前)进行了比较，说明经过优化后的中子性能达到了较高的水平。第三部分阐述了CARR冷中子源自稳特性的优化研究。首先，对带助冷两相热虹吸模型进行了合理简化并推导出自稳特性方程，从理论上证明了该冷却方式具有自稳特性。第二，选择冷包入口氦气参数不调整时冷包内液氢液面变化最小作为优化目标，对冷凝器换热能力、氢系统运行压力等相关因素进行了优化研究。第三，对冷包入口氦气参数作简单调整时的运行稳定性进行了初步的探讨，以阶跃热负荷下液面变化最小作为优化目标，优化了冷凝器换热能力、氢系统运行压力和冷凝器铝材热容等。最后，为了验证运行的稳定性能，推导出国外已经成功运行(其它冷却方式)冷中子源的自稳方程并与本方案进行了对比，求解出CARR冷中子源新冷却方式优于其它冷却方式的理论条件，并进行了数值分析，证明该冷却方式可优于其它冷却方式，得出了具有工程意义的结论。通过对中子性能的优化研究，得到了具有优良中子性能的新型月牙形冷包结构，其中子性能优于NBSR(2001年改造前)。经过优化的冷包结构和尺寸分别为：内插件剖面为偏心椭圆，外壳为圆柱形；液氢厚度为2.6 cm、开口尺寸为18cm。对自稳特性的研究结果表明，带助冷两相热虹吸冷却方式具有一定的自稳特性，并在现有设计的基础上，改氢系统压力测量为差压式测量，将冷凝器铝材质量增加到62 kg，氢系统初始运行压力减小为0.17 MPa，可有效减小液面波动范围，提高冷中子源的稳定运行能力。本研究成果中，中子性能优化结论已用于CARR冷中子源的冷包设计，自稳特性的优化结论可用于指导CARR冷中子源的系统设计。本研究成果对国内外其他冷中子源的设计建造也具有一定的指导意义。

全文目录

中文摘要  2-4
Abstract  4-9
第一章概述  9-22
  1.1中子与中子源  9-12
    1.1.1 中子及其应用  9-10
    1.1.2 中子源  10-12
  1.2 冷中子源装置及其应用  12-19
    1.2.1 国际上冷中子源装置研究现状及其应用  12-17
    1.2.2 我国冷中子源装置研究现状及其应用  17-19
  1.3 本课题的研究意义与主要工作  19-22
    1.3.1 选题的意义  19-21
    1.3.2 主要工作及本文结构  21-22
第二章 CARR及冷中子源装置介绍  22-32
  2.1 中国先进研究堆(CARR)介绍  22-23
  2.2 冷中子源装置简介  23-32
    2.2.1 系统简述  23-25
    2.2.2 氦制冷系统  25
    2.2.3 氢系统  25-32
第三章中子性能优化  32-52
  3.1 引言  32-33
  3.2 中子性能优化的目标和方法  33-38
    3.2.1 优化目标的选择  33-35
    3.2.2 中子性能优化的方法  35-38
  3.3 冷包形状优化研究  38-51
    3.3.1 同心圆方案优化分析  38-42
    3.3.2 偏心椭圆优化分析  42-44
    3.3.3 优化方案比较结果  44-46
    3.3.4 优化方案的特性研究  46-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章自稳特性研究  52-105
  4.1 引言  52
  4.2 自稳特性方程的数学模型  52-59
    4.2.1 简化模型图  52-53
    4.2.2 假设条件  53-54
    4.2.3 理论分析  54-59
  4.3 现设计条件下的自稳特性  59-62
  4.4 影响自稳特性的模型因素  62-73
    4.4.1 连接管模型的影响  62-67
    4.4.2 传输管阻力对自稳特性的影响  67-72
    4.4.3 冷包和冷凝器内液氢和材料热容的影响  72-73
  4.5 冷包处氦气入口参数不变时的自稳特性优化研究  73-80
    4.5.1 优化目标  73
    4.5.2 优化参数  73-80
  4.6 冷包处氦气入口参数调整时的自稳特性优化研究  80-90
    4.6.1 冷包内液氢液面测量方法  81-82
    4.6.2 制冷量调节方式  82-83
    4.6.3 优化目标  83-84
    4.6.4 优化目标的优化分析  84-89
    4.6.4 优化建议  89-90
  4.7 自稳特性比较  90-103
    4.7.1 自稳方程及理论解  91-93
    4.7.2 比较基础和比较内容  93-94
    4.7.3 理论分析比较  94-96
    4.7.4 数值分析比较  96-103
  4.8 本章小结  103-105
第五章研究结论和讨论  105-109
  5.1 结论  105-106
  5.2 讨论  106-107
  5.3 本论文的创新点  107-109
    5.3.1 提出新型月牙形冷包并进行了中子性能优化研究  107
    5.3.2 新型冷却方式及其自稳特性优化研究  107-109
参考文献  109-113
致谢  113-114
附录1 低温下氢气和氮气的物性参数  114-116
附录2 直冷方式的自稳特性的理论分析  116-120
附录3 博士研究生在读期间发表文章清单  120-121
符号表  121-123

CARR冷中子源中子性能和自稳特性优化研究

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