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流化固体颗粒散裂靶：中子学精准计算与创新设计研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的不断增长以及对清洁能源的迫切追求，核能作为一种高效、低碳的能源形式，在能源结构中占据着愈发重要的地位。散裂靶作为加速器驱动次临界系统（ADS）等先进核能技术的关键部件，其性能直接影响着整个系统的运行效率、安全性和经济性。在ADS中，散裂靶起着至关重要的作用，它通过高能质子束轰击重金属靶材料，产生大量中子，这些中子进而驱动次临界反应堆进行裂变反应，实现核能的有效利用以及核废料的嬗变处理。ADS系统不仅能够将长寿命的核废料嬗变处理为短寿命的核废料，降低放射性核废料的储量及其毒性，还可以把一些元素转化为利用价值更高的元素，并且由于采用了深度次临界反应堆，具有固有安全性，因此得到了国际社会的广泛认可和大力发展。

在辐射材料研究领域，高功率散裂靶组成的高能高通量中子源能够为材料的辐照损伤研究提供重要的实验条件，有助于深入了解材料在极端环境下的性能变化，为新型材料的研发和应用奠定基础。在中微子工厂中，高功率散裂靶作为组件产生高通量中微子，对于中微子物理的研究具有不可或缺的作用，推动着人类对微观世界基本规律的探索。

传统的散裂靶主要包括固体靶和液态金属靶。固体靶在面对高功率束流时，散热问题成为制约其发展的瓶颈，难以满足高功率运行的需求。例如，在较高功率束流的轰击下，固体靶内部会产生大量热量，由于其散热能力有限，导致靶材料温度急剧升高，可能引发材料性能劣化、结构损坏等问题。液态金属靶虽然在散热方面具有一定优势，但其存在流体力学不稳定性，在运行过程中，液态金属的流动难以保持稳定，容易出现波动和紊流，影响束流与靶材料的相互作用效果。同时，液态金属靶还存在泄露安全风险，一旦发生泄露，会对环境和人员安全造成严重威胁，以及对结构材料的腐蚀问题，长期运行会导致结构材料的强度下降，缩短靶的使用寿命。这些问题限制了其在先进核能系统中的广泛应用。

相较于传统散裂靶，流化固体颗粒散裂靶具有独特的优势。在中子经济性方面，它能够更有效地产生中子，提高中子的利用效率，为次临界反应堆提供更充足的中子源，从而提升整个系统的能量输出和运行效率。在热移除性能上，流化固体颗粒的流动特性使得热量能够更快速地被带出束靶作用区，有效避免了靶材料因过热而导致的性能问题，确保了散裂靶在高功率运行条件下的稳定性和可靠性。中科院ADS研究团队针对工业级ADS的需求，经过大量理论计算和实验研究，提出并深入研究了这种新型流化固体颗粒散裂靶。

流化固体颗粒散裂靶的设计和优化涉及到多物理场的复杂耦合过程，包括粒子输运、热传导、流体力学等。准确描述和计算这些物理过程，对于深入理解散裂靶的工作机制、优化其性能具有重要意义。目前，相关的中子学计算方法仍有待进一步完善和发展，以满足工程设计和分析的高精度需求。本研究聚焦于流化固体颗粒散裂靶中子学计算方法及设计，旨在通过对散裂反应机制的深入研究，开发高精度的中子学计算方法，优化散裂靶的设计参数，提高其性能和可靠性。这不仅有助于推动加速器驱动次临界系统等先进核能技术的发展，为解决全球能源问题提供新的途径，还能在辐射材料研究、中微子物理研究等领域发挥重要作用，促进相关学科的进步和发展。

1.2国内外研究现状

在流化固体颗粒散裂靶中子学计算与设计领域，国内外科研人员已开展了诸多研究，取得了一系列重要成果，同时也面临着一些亟待解决的问题。

国际上，多个国家积极投身于散裂靶相关技术的研究。美国的散裂中子源项目对散裂靶的设计和性能优化进行了深入探究，其研究成果为散裂靶技术的发展提供了重要参考。欧洲散裂中子源在靶材料的选择、结构设计以及中子学性能优化等方面取得了显著进展，通过先进的模拟技术和实验研究，不断提升散裂靶的性能。日本高能加速器研究机构的KEK项目也在散裂靶研究中取得了诸多成果，在靶材料的辐照损伤研究、热管理技术等方面积累了丰富经验。这些国家在传统散裂靶研究方面的成果，为流化固体颗粒散裂靶的研究奠定了基础。

随着对散裂靶性能要求的不断提高，流化固体颗粒散裂靶逐渐成为研究热点。国外一些科研团队针对流化固体颗粒散裂靶的流动特性开展了研究，采用实验和数值模拟相结合的方法，深入分析了颗粒的运动规律、速度分布以及颗粒与流体之间的相互作用。通过建立多相流模型，对颗粒流的流态进行了模拟和预测，为散裂靶的设计提供了理论依据。在热工性能研究方面，研究人员关注颗粒流的换热机制，探索如何提高颗粒流的散热效率，以满足高功率运行的需求。通过实验测量和数值计算，分析了颗粒流的热传导、对流换热等过程，提出了优化热工性能的措施。

在国内，中国科学院近代物理研究所的科研团队在流化固体颗粒散裂靶研究方面取得了多项重要突破。他们提出了颗粒流散裂靶的全新概念，并成功建成国际首台颗粒流散