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《山西大学》 2004年
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中国散裂中子源靶—反射体—慢化器系统的模拟和优化研究

殷雯  
【摘要】: 本论文结合当前中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)工程概念设计的迫切需要,选择国际上广泛使用的基于蒙特—卡罗方法,用于模拟粒子输运过程的程序MCNP4A和NMTC/JAM作为研究工具,首次对CSNS靶站进行了全面的模拟与优化,内容包括靶、反射体与慢化器系统的中子通量分布以及热量沉积,同时计算了靶的温度场与应力场分布。本论文的研究结果为中子散裂源工程建设提供了必要的研究数据,为选择靶的设计方案提供了基本依据。 首先利用高能粒子输运程序NMTC/JAM计算了入射质子能量、靶的材料、形状、尺寸以及靶与慢化器耦合对中子通量的影响。研究结果表明,当入射质子能量高于1.6GeV时,随着入射质子能量的增加,用于产生π介子的能量也增加,中子有效通量反而降低;从中子产量、费用、机械性能和耐蚀性能几方面综合考虑,钨适合用作散裂源中靶的材料;在截面积相同时,矩形扁靶可比方形靶给出更高的中子通量;对相同形状的靶,中子通量随着靶截面积减小先增加然后减小;当高能粒子进入慢化器后,会在慢化器中发生散裂反应与(n,2n)核反应,因此,反射体可以大大提高中子通量;在慢化器长度等于分离靶的分开距离时,分离靶的总中子通量比整体靶可提高20.1%,但同时也会大大增加制造成本。 接下来根据已优化的靶的参数,利用低能粒子输运程序MCNP4A进一步计算高能中子(快中子)进入慢化器后,在慢化器中的输运过程。得到经水慢化器慢化后,中子通量在慢化器厚度与高度方向上的分布;比较了水与液态氢的慢化能力以及中子在水、液态氢、液态甲烷这三种慢化器慢化后的能谱;在CSNS的靶站设计中,引出慢中子的导管不完全位于慢化器中子引出面的法线方向上,因此进一步计算了中子通量角分布。 最后计算了靶、反射体以及不同慢化器(水、液态氢、液态甲烷)中的热量沉积,并以此为依据,利用工程软件IDEAS进一步计算了各种冷却条件下,靶中温度场与应力场分布。由于CSNS是千瓦级的散裂中子源,所以温度与热应力都不会对靶的寿命、机械性能产生太大影响。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O571.5

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