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刮束器运行时主要的物理过程为高能的束晕粒子与刮束器碰撞,产生散射或吸收。吸收包括核反应和电离能损,核反应过程中释放中子、
$\gamma $ 等辐射射线,产生同位素。电离能损过程则通过电磁过程将束流能量转化为热。由于束流能量的具体值根据调束情况略有变化,出于过高估计的设计原则,本节计算中采用25 MeV束流能量进行计算。物理过程模拟采用蒙特卡洛程序FLUKA,计算材料中活化产生的同位素以及辐照后的剩余剂量[6]。模拟中考虑了Al6063的元素组分,主要元素为Al,Mg占比0.45%~0.9%,Si占比0.2%~0.6%,Fe占比不足0.35 %,Cu、Mn、Cr、Zn、Ti均占不足0.1 %。将刮束器模型简化后用FLUKA模拟计算,Al6063刮束环在25 MeV、8 mA质子束流运行100 h后,材料内部的的活化产物如图5所示。其中主要的活化产物24Na、56Co的豁免管制活度为105 Bq,而54Mn、55Fe、65Zn、67Ga的为106 Bq,51Cr的为107 Bq。可以看出,一个月后活化产物出现显著下降且均低于豁免值,其中图5(a)中的同位素半衰期较短,在停束冷却一个月后有显著的下降,图5(b)中的同位素半衰期较长,下降相对较少,贡献了一个月之后的主要剂量。因此需要冷却一个月后才可以容许人员靠近工作。剩余剂量主要计算了停束30天后的情况。如图6所示,30 d后在刮束器外侧的剩余剂量为100 μSv/h量级,按照核辐射环境下人工作业的安全评估要求,人均受到辐射的有效剂量值不超过5 mSv/y。退役时,工人在100 μSv/h环境下作业时间在1 h以内,可用满足安全退役拆除的需求。 -
刮束器运行时产生的热量主要来源于束晕粒子在刮束器中的能量沉积。高能粒子的能量会被材料吸收转化为热能,因此粒子在材料中的能量沉积是刮束器材料选择的重要依据,同时也是进一步开展热计算的基础。25 MeV的粒子在射入材料后,沿途释放能量,达到射程后停止,能量沉积于从入射表面与射程之间,并大部分转化为热量。
通过FLUKA模拟计算,可以得到25 MeV质子在几种材料中沿射程方向的能量沉积情况,如图7所示。质子在Al和C中的射程更深,单位深度的能量沉积更小,因此选择以Al为主要成分的Al6063合金作为刮束器的粒子吸收材料是合适的。模拟表明25 MeV质子束的能量主要沉积在距材料表面3.5 mm内,在之后的热计算中视该区域为热源区域。
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在刮束器功率100 W,冷却水流量25 L/min时,通过公式简单计算可知冷却水温升约0.06 d °C,对对流换热系数带来的影响可以忽略。刮束器后环冷却水回路的具体结构可参考图3,环形水冷回路的流道截面为15 mm×30 mm的矩形,回路长约540 mm。回路中冷却水的平均流速为0.926 m/s,根据公式
$$ {Re}_{{\rm{f}}}=\frac{u \boldsymbol \cdot d}{v} , $$ (1) 其中:
$ u $ 为25 °C下水的运动粘度;$ d $ 为流道截面当量直径;$ v $ 为冷却水流速;可计算出冷却水的雷诺数$ {Re}_{{\rm{f}}} $ 为20 453,可以此判断水流状态为紊流。再通过紊流下管道内对流换热系数经验公式对流换热系数[7]$$ h=0.023{{Re}_{{\rm{f}}}}^{0.8}{{Pr}_{{\rm{f}}}}^{0.3}\frac{\lambda }{d} , $$ (2) 其中:
$ {Pr}_{{\rm{f}}} $ 为25 °C下水的普朗特数;$ \lambda $ 为25 °C下水的导热系数;可以得到对流换热系数为h=3 404.5${\rm {W/{m}^{2}\boldsymbol\cdot K}}$ 。 -
对于束流功率为P的圆形束斑的二维高斯束,其径向距离圆形束斑中心距离为r处的功率密度分布为
$$ {P}_{s}\left(r\right)=\frac{P}{2\pi {\sigma }^{2}}{\rm{e}}{\rm{x}}{\rm{p}}\left( { -\frac{{r}^{2}}{2{\sigma }^{2}} } \right) , $$ (3) 因此热源的径向功率密度分布为高斯分布,轴向功率密度分布与能损随深度分布一致。
以此功率密度分布为基础,利用ANSYS模拟刮束环的温度分布,其中刮束环上热源的加载方式包括面加载与体加载[8]。面加载热源的方式只需按照径向的功率密度分布在刮束器吸收束流的表面加载热源,此方法处理简单,精确度比体加载低。
体加载热源的方法有两种,一种需要利用FLUKA划分刮束器吸收粒子的空间区域并计算给出区域中的体功率密度分布,需将FLUKA结果处理后导入ANSYS进行加载。另一种是按照径向、轴向的理论热源分布,分吸收面的径向和粒子入射距表面深度方向划分区域再分别加载。两种方法均是区域划分越密计算量越大,同时精度越高。
考虑到束流的穿透深度只有3.5 mm,远小于刮束环前环的最小厚度35 mm,体热源加载的结果可以用面热源加载近似。如图8所示,两种加载方式的计算结果差别小于1%,后续的计算用面热源加载计算。
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在束流状态正常时,刮束器可以实现正常的刮束,表面最高温度26 °C,如图8所示。考虑实际的束流状态存在束流偏心或束斑过大的情况,采用了高斯束束斑
$ \sigma $ 分别为30, 35, 50 mm情况下,束流中心分别偏移不同距离进行模拟。模拟得到不同束流情况下,刮束器的刮束功率如表1所列。可以看到束斑$ \sigma $ 越大,刮束功率越大。束流偏心越多,刮束功率也越大,同时偏心带来的功率变化也更加严重。表 1 不同束斑尺寸和不同偏心下对应的刮束功率及刮束器表面最高温度
束斑中心偏离程度 刮束功率/最高温度($ \sigma $=30 mm) 刮束功率/最高温度($ \sigma $=35 mm) 刮束功率/最高温度($ \sigma $=50 mm) 无偏心 6.3 W/25.13 °C 107 W/26.9 °C 5 767 W/105.3 °C 偏心10 mm 9.7 W/25.44 °C 138 W/29.8 °C 6 193 W/156.7 °C 偏心30 mm 83.8 W/31.4 °C 580 W/60.9 °C 9 979 W/376.8 °C 偏心60 mm 1 815 W /192.5 °C 5 310 W/417.8 °C 25 892 W/1 214.1 °C 完成刮束功率计算之后再选择四种情况进行温度分布的计算:(a) 理想束流状态;(b) 实际束流偏心10 mm;(c) 实际束斑增加到50 mm;(d) 实际束流偏心60 mm。在不同的
$ \sigma $ 参数、偏心距离计算的温度分布结果如图9所示。可以看出,在束流偏心不大的前三种情况下刮束器均能实现正常移除热量的目标,但在束流偏心较大的情况下,因为刮束功率急剧增加,最大温升418 °C,如图9(d)所示。这超出了Al6063材料的退火温度320 °C,无法安全将热量移除,若不及时中断束流,刮束器的最高温度会超过材料的可承受极限。 -
当束流出现严重偏差,导致主束打到刮束环上时,刮束器将承受远高于设计值的功率并被损坏。因此需要监测刮束环的束流流强并及时切断束流。
使用ANSYS软件,按照束流中心偏离150 mm的情况进行瞬态热计算模拟[9]。刮束环承受功率达到127 kW,图10给出了刮束环上最高温度随时间的演化,约0.14 s达到刮束环材料Al6063的退火温度320 °C,约0.35 s达到熔点的580 °C。因此,束流流强监测到电流超出阈值并切断束流的时间需小于0.1 s。设计的刮束环的流强监测系统从监测到流强异常到切除束流的时间小于10 μs,因此,即使是十分严重的束流偏移,也可以保证在束流偏离时可以将束流及时切断,避免刮束环的损伤。
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摘要: 位于中国科学院近代物理研究所的超导直线加速器样机CAFe是一台质子超导直线加速器实验样机,围绕该装置的束流实验研究将为下一步设计研究加速器驱动次临界洁净核能系统(ADS)专用的超导直线加速器打下基础并提供经验。为了实现CAFe的10 mA束流指标,需要设计研制专门的束流收集器(DUMP)和对应的刮束器。本工作就CAFe DUMP前刮束器的研制进行了系统的设计和计算工作。刮束器面向束流侧的材料采用Al6063,确保束流轰击后的剩余放射性活度处于安全范围。基于蒙特卡罗粒子输运模拟,开展放射性核素及剩余剂量分析。结果表明,退役时刮束器外围剂量为可接受的百微希沃特每小时量级。通过ANSYS的热分析,计算了不同束流情况下刮束器的温度分布及温度变化,研究了刮束器在正常运行时移除热量的能力和在异常状况下应急保护的能力。计算结果表明,刮束器可以满足安全移除强流高功率束流束晕的设计需求。在CAFe高功率束流实验中,刮束器及DUMP运行正常,束流监测指标与设计一致,证明研制的刮束器实现了安全移除束晕、监测束流参数和保护DUMP的功能。
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关键词:
- 中国超导直线加速器样机 /
- 刮束器 /
- 束流收集器 /
- 热分析 /
- 安全分析
Abstract: CAFe facility, located at Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, is an experimental prototype of superconducting proton linac. The beam experiment research surrounding this facility can lay a foundation, and provide experience for the design and research of accelerator of Accelerator Driven Subcritical System(ADS) in the future. A special beam DUMP and a corresponding beam collimator before it are needed to achieve CAFe's 10-mA beam goal. In this paper, the systematic design and calculation of the beam collimator are carried out for the development of CAFe DUMP. To ensure that the residual radioactivity after beam bombardment is within a reasonable range, Material of Al6063 is used for the collimator inner element facing the beam. Based on Monte Carlo particle transport simulation, radionuclides and residual dose analysis were carried out. The results show that the peripheral dose of the collimator will be on the order of 100 μSv/h, which is acceptable during decommission. The temperature distribution and temperature raise of the collimator under various beam conditions are simulated with ANSYS code. It is demonstrated that the collimator can safely remove heat from beam power under normal conditions and protect the device under abnormal conditions effectively. The results show that the collimator meet the design requirements of beam halo removal. During the CAFe high power beam commissioning, the collimator and the DUMP were operated normally, with beam current monitoring value consistent with the designed parameters. It proved that the collimator realized the function of beam halo removal, beam parameters diagnostics and DUMP protection.-
Key words:
- CAFe /
- collimator /
- beam DUMP /
- heat analysis /
- safety analysis
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表 1 不同束斑尺寸和不同偏心下对应的刮束功率及刮束器表面最高温度
束斑中心偏离程度 刮束功率/最高温度($ \sigma $=30 mm) 刮束功率/最高温度($ \sigma $=35 mm) 刮束功率/最高温度($ \sigma $=50 mm) 无偏心 6.3 W/25.13 °C 107 W/26.9 °C 5 767 W/105.3 °C 偏心10 mm 9.7 W/25.44 °C 138 W/29.8 °C 6 193 W/156.7 °C 偏心30 mm 83.8 W/31.4 °C 580 W/60.9 °C 9 979 W/376.8 °C 偏心60 mm 1 815 W /192.5 °C 5 310 W/417.8 °C 25 892 W/1 214.1 °C -
[1] 肖国青, 徐瑚珊, 王思成. 原子核物理评论, 2017, 34(3): 275. doi: 10.11804/NuclPhysRev.34.03.275 XIAO Guoqing, XU Shanhu, WANG Sicheng. Nuclear Physics Review, 2017, 34(3): 275. (in Chinese) doi: 10.11804/NuclPhysRev.34.03.275 [2] LIU, Shuhui, WANG Zhijun, CHEN, Weilong, et al. Heavy Ion Accelerator Technology, 2020, 1401: 021009. [3] JIA Huan. Design and Development of 200 kW Beam Dump for CAFe, proceedings of AccApp’21, Washington DC, USA, Thursday, December 2, 2021. [4] SIMOS N, LUDEWIG H, RAPARIA D, et al. American Institute of Physics, 2003, 693: 162. [5] S KUMAR, A MANDAL. Start to end Simulation of High Current Injector Using TRACEWIN Code[C]. 2015. [6] BATTISTONI G, CERUTTI F,. FASSO A, et al. IP Conference Proceedings, 2007, 896(1): 31. [7] 章熙民, 任泽霈, 梅飞鸣. 传热学[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007: 149. ZHANG Ximin, REN Zepei, MEI Feiming. Heat Transfer Theory[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2007: 149. (in Chinese) [8] 张朝晖. ANSYS热分析教程与实例解析[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2007: 25. ZHANG Zhaohui. ThermalAnalysis Tutorial and Example Analysis of ANSYS[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007: 25. (in Chinese) [9] LIU D, PARK S. Journal of Electronic Packaging, 2014, 136(3).