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加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究(全文)

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2013年02月18日  点击数:2472

加速器驱动洁净核能系统物理及技术基础研究

ADS启明星1号的“跑兔”系统的设计

史永谦,张 巍,曹 健,罗皇达,权艳慧

在ADS(Accelerator Driven Sub-critical System,加速器驱动的次临界系统)中,次临界反应堆在加速器中子源的作用下维持链式裂变反应。次临界度监测是ADS研究中的一项重要内容,跳源法是测量次临界度的行之有效的方法之一,可以通过切断加速器束流测量次临界反应堆内中子通量的衰减得到。在研究次临界反应堆中子学的实验中,用同位素中子源代替加速器中子源可以得到部分近似的结果。

本年度,设计加工了专门用于开展启明星1号次临界实验装置跳源实验的252Cf源气动输送系统,即跑兔系统。该系统由空气压缩机、空气过滤器、油雾器、调节阀、二位五通电磁阀、开关、导气管、气体换向座、锎源及贮存罐等组成。与通常的跑免系统相比,其特别之处在于通气导管由两根管子套装组成,粗管套在细管外面,前端接导气塞,后端接气体换向座。粗管与细管之间的空腔和细管内部的空腔用于气体流通。当把导气管插入启明星1号次临界反应实验装置的源孔道内,中子源就可以在细管内依靠气体的推动在次临界反应堆与贮存罐之间的移动,跳源时间小于0.1 s。

 

强流RFQ注入系统(LEBT)调试

马鹰俊,崔保群,马瑞刚,李立强,姜 冲,唐 兵,邓金亭,蒋渭生,王荣文

在加速器驱动次临界系统(ADS)项目中,由我院承担研制的强流RFQ注入系统,包括ECR强流离子源及束流低能传输线(LEBT),从2005年8月移机中国科学院高能物理研究所后,历时半年多时间,解决了由于工作环境改变而带来的一系列水、电、气问题,包括电器系统供电与控制的改造,水冷供给的升级,真空测量和安全连锁的配套等;于2006年6月与RFQ对接前将系统完全恢复到了验收时的状态,可以引出能量75 keV、超过60 mA的离子束,归一化均方根束流发射度为0.13mrad,引出束流的质子比好于80%。为确保与RFQ加速器安全可靠的联机调试,并提供合格的束流,设计了一套用于强会聚束流的测量方法和装置,实验测得75 keV、60 mA的质子束在束腰处束径小于3 mm,束张角小于71 mrad,确定了LEBT系统传输元件的主要参数。

在与RFQ加速器完成对接后,于2006年7月开始注入束流联合调试,根据离线确定的各种参数,首次注入取得了RFQ加速器出口峰值流强20 mA和60%传输效率的结果。在提高高频电场的馈入、参数匹配优化后,出口流强达到了41 mA,传输效率大于90%(图1),已经非常接近项目指标的要求。

在之后的调试实验中,解决了打火引起的一些电源设备的保护或损坏问题,系统已经可以稳定地运行并提供符合要求的束流,目前又取得了可喜的进展。调试中,在75 keV能量下离子源引出束流为66 mA时,在RFQ入口处,束流强度为47 mA,质子束在LEBT系统中的传输效率约为90%;RFQ出口束流峰值流强为42~44 mA,传输效率在90%~94%之间。目前,RFQ能够可靠运行在6%占空比,束流宽度1.2 ms,频率50 Hz,平均流强为2.6 mA。实验波形如图2所示。目前正在解决实验中发现的RFQ传输效率与高频电场开闭环调制模式的选择、场相位稳定性的关系以及RFQ腔体温度控制精度对传输效率的影响等问题,这些问题解决后,RFQ加速器平均流强有望达到3 mA。

较高曲线是注入的44 mA的束流波形;较低曲线是输出41 mA束流波形;传输效率为92%

较高曲线为47 mA的注入束流;较低曲线为44 mA的出口束流;传输效率为93.8%

到目前为止,LEBT系统联机调试出束工作时间累计达450h,为RFQ提供束流200h以上,其中,最长无打火在线运行时间为出束60h,其中为RFQ供束30h,束流稳定。目前,LEBT系统可随时配合RFQ提供束流。

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