Design and Development of the Collimator in Front of the CAFe DUMP

加速器驱动次临界洁净核能系统(ADS)可以利用中子嬗变长寿命核素，减少核废料的放射性，解决乏燃料长周期安全处理处置的世界性难题，被公认为是最有前景的处理核废料的技术路径。ADS主要包括加速器、散裂靶和次临界反应堆三大子系统。由加速器产生的高能强流质子束轰击散裂靶的重核产生宽能谱、高通量的中子，并作为外源中子驱动反应堆，反应堆的中子保持较硬的能谱，从而实现核废料的高效嬗变^[1]。

为了突破ADS所需的强流超导直线加速器的关键技术，在中国科学院先导专项和近代物理研究所的支持下，建造了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)^[2]。CAFe的设计、建造、调试及改进，将为CiADS直线加速器的技术路线选择和关键技术突破奠定基础。作为首台全超导强流直线加速器，其在束流指标上的进展与突破，也将推动强流超导直线加速器技术的发展。

CAFe超导直线加速器样机由离子源、低能传输线、RFQ、中能传输线、超导加速段、高能传输线(HEBT)和束流收集器(DUMP)组成。质子束流由离子源产生，经过RFQ和超导加速段加速，再经过高能传输线传输到DUMP上。CAFe的设计指标为20 MeV、10 mA的连续波质子束，束流功率达到200 kW。为了实现高功率束流的调试，需要有专门的高能传输线和束流收集器，以实现高功率束流产生热量的移除，以及满足放射性剂量控制的要求。

在CAFe加速器的束流调试中，用于回收束流，吸收、移除束流热功率并有效包容次级粒子射线的装置为束流收集器(DUMP)。为安全吸收束流，确保DUMP不会被束流融穿，需要通过四极铁对束流进行扩束，展平束流的功率密度，降低DUMP的最高温度^[3]。而扩束后原本外圈的边缘粒子就会超出DUMP的接收范围，为妥善处理这些外圈的束晕粒子就需要专门的刮束器对它们进行安全吸收。

采用刮束器，可以将扩束后在DUMP前必然丢失的边缘粒子控制在刮束器处，实现束流损失的安全可控，大幅度降低束流损失带来的热和辐射活化影响，从而保护DUMP上游束线的密封法兰，降低不锈钢束流管道的活化剂量。另外，对刮束器的刮束环绝缘后，可以用于探测束晕粒子，一旦束流偏心或束斑过大，导致有过量的束流粒子直接轰击到刮束器上，就可以通过对刮束环测量的电流信号给出阈值保护，切断束流，避免因束流偏心或束斑过大导致DUMP前法兰损坏、刮束环损坏或束线损坏。同时，刮束环还可以用于束流调试，通过调节校正磁铁，配合刮束环的电流信号，可以推测DUMP处的束流尺寸，以及轰击到刮束环的束流比例。

根据CAFe DUMP的设计，其前置刮束器须具备以下功能：

(1) 束晕粒子刮除：根据DUMP对束斑尺寸的要求，考虑束流的能量和束晕粒子比例，有效刮除束晕粒子。CAFe束流能量20 MeV，几个毫米厚度的材料即可有效吸收晕粒子。根据扩束方案，刮除的粒子占束流总体的0.1%。

(2) 热移除：将轰击刮束器的束晕粒子产生的热量安全移除，保证正常情况下材料的最大温升在许用范围内。

(3) 流强监测：当过量束流轰击到DUMP上时，需要在必要的响应时间内，切断束流，保护刮束器不被主束打坏。

(4) 辐射屏蔽：安全可靠的屏蔽刮束器吸收粒子时产生的辐射，减少辐射剂量。

刮束器的设计过程，首先是尺寸参数的选择、结构设计和材料的选择，来满足监测并吸收束流功率的设计需求。其次是热过程与核过程的模拟计算，来验证刮束器能否移除刮束过程中产生的热量和辐射剂量。最后是对束流异常情况下的计算，计算在束流偏心等情况下，刮束器的温升以及可接受的切束保护时间。整个设计流程参考了SNS的刮束器设计^[4]。

CAFe的质子束流在超导段加速之后，进入高能传输线。高能传输线将束流向左偏转90°后，匹配进入DUMP。高能传输线和DUMP的布局如图1所示。铅阀门位于高能传输线尾部的四极铁与DUMP之间，用于加速器检修时阻挡DUMP的残余剂量，刮束器位于四极铁后约2 m，DUMP前约0.3 m处。

DUMP处的质子束流能量为20 MeV，流强为10 mA，功率200 kW，束斑分布为近似圆形的高斯束。通过扩束设计使得DUMP处的束流功率密度不超过200 $ {\rm{W}}/{{\rm{c}}{\rm{m}}}^{2} $，以确保DUMP能安全吸收束流功率，对应的束流$ \sigma $值为30 mm，$\sigma $为二维圆形高斯束流位置分布的均方根^[3]。TraceWin模拟给出的DUMP处束流相空间分布如图2所示^[5]。经过优化，DUMP的半孔径为150 mm，是束流$\sigma $值的5倍。根据束流的束晕分布，需要刮除的束晕粒子介于$5\sigma $到$9 \sigma $之间，对应约0.1%的束晕粒子，对应的刮束范围为300~500 mm。为了有效保护DUMP前连接法兰，选择刮束器的内径为280 mm，略小于DUMP入口直径，外径为480 mm。

如图3和图4所示，刮束器的机械结构采用了前后环拼接的方式。前环承受束流的直接照射，需要满足低活化、抗辐照、高热导率、易加工的要求，通过调研及计算，前环材料择为Al6063合金。后环材料为不锈钢，内有冷却水道。前后环之间通过陶瓷柱实现绝缘。刮束器的前环为为锥体设计，锥体入口端内径360 mm，出口内径280 mm，锥体厚度从40 mm逐渐减少到5 mm。前后环外径都为480 mm。后环内径320 mm，厚35 mm。通过将前环的信号由导线引出，可以测量轰击到刮束环的束流流强。

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。

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

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]

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

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。

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。

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。

2021年1到3月的连续质子束实验中，刮束环及DUMP在质子束能量17.5 MeV、束流流强8.0 mA、功率140 kW的条件下持续运行100 h。该过程中刮束环上监测到正常运行的流强均值约为0.007 mA，与设计时刮除0.1 % 的束晕粒子相符。整个调束运行过程中，刮束环处冷却水最大温升也小于5 °C。在实验期间，刮束环成功实现了刮除束晕，监测束流保护DUMP的目标。

作为中低能量范围内束流的束晕刮除装置，该刮束器在保障DUMP需求的情况下自身也可以安全地吸收束晕粒子，通过水冷系统可以有效移除热量。刮束器冷却30 d即可进行人工拆除退役，运行实验也证实了刮束器的束诊系统能准确监测束晕粒子比例，服务于加速器的应用。以铝合金Al6063作为刮束环的材料，能很好地传导并移除热量，降低束晕粒子产生的辐射，在今后类似的装置上具有广泛的应用前景。