[發(fā)明專(zhuān)利]一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410339492.7
• 申請(qǐng)日: 2014-07-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104093260A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何小海;李彥;唐君;婁本超;張欽龍;劉百力;劉灣;黃瑾;李艷
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H05H3/06
• 分類(lèi)號(hào): H05H3/06;H05K7/20
• 代理公司: 北京華沛德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 劉杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及核技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置。

背景技術(shù)

加速器中子發(fā)生器的離子束轟擊靶時(shí)產(chǎn)生很高的能量沉積，即使在通水冷卻的條件下，靶上能夠承受的熱功率密度也必須控制在一個(gè)合適的范圍。目前通常采用三種方式提升靶承受熱功率的能力：一是加大離子束束斑直徑，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是靶上可以承受更多的離子束注入，總的中子產(chǎn)額增加，這種方法的缺點(diǎn)是中子源的點(diǎn)源特性變差，準(zhǔn)直比降低，這在很多應(yīng)用領(lǐng)域都是不利的，比如：快中子照相、中子治療、爆炸物檢測(cè)等。二是中國(guó)專(zhuān)利CN203057673U(公開(kāi)日為2013年1月27日)公開(kāi)了一種采用旋轉(zhuǎn)靶方式增加靶面積的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在不增加束斑尺寸的條件下，提升靶承受沉積功率的能力，進(jìn)而提升中子產(chǎn)額和通量，該方法的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可靠性稍差，成本較高；三是中國(guó)專(zhuān)利CN201010238639.5(公開(kāi)日為2010年7月28日)公開(kāi)了一種采用氣體靶的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)固定靶，產(chǎn)額高，靶壽命長(zhǎng)，該方法的缺點(diǎn)是技術(shù)難度高，真空系統(tǒng)體積龐大，能耗高，造價(jià)高。上述三種方法，適合在地電位端工作，放在高壓端，結(jié)構(gòu)及控制都會(huì)異常復(fù)雜。

高產(chǎn)額中子發(fā)生器，靶上的熱功率高達(dá)幾十kW～幾百kW,加上很多情況下發(fā)熱部件的尺寸小，熱功率密度將會(huì)非常高，達(dá)到幾百W/cm²。

在散熱工質(zhì)選擇方面，中國(guó)專(zhuān)利CN103200759A(公開(kāi)日為2013年7月10日)公開(kāi)了一種利用高導(dǎo)熱陶瓷對(duì)高壓端靶進(jìn)行散熱的方法，該方法適合熱流密度不高的中子發(fā)生器上使用，不適合極高熱流密度部件的散熱。

水作為最常用的散熱工質(zhì)，散熱能力很強(qiáng)，但是不適合直接連通高電位端進(jìn)行散熱，一是在直流電壓下，水會(huì)分解成氫氣和氧氣，非常危險(xiǎn)；二是水的絕緣性能不好，即使是高純度去離子水，在循環(huán)管道中，也很容易溶解雜質(zhì)，造成絕緣性能下降；三是熱功率密度超過(guò)300W/cm²，水與靶內(nèi)壁的溫差超過(guò)100度，水將進(jìn)入沸騰散熱模式。在高壓端，循環(huán)水處在密閉小空間內(nèi)，沸騰可能引起內(nèi)部高壓力，造成嚴(yán)重故障。

絕緣油是另一種比較常用的散熱工質(zhì)，可以用在高電位端對(duì)靶進(jìn)行循環(huán)冷卻，解決了跨接高低電位的問(wèn)題。但是，油的粘滯系數(shù)大，散熱能力遠(yuǎn)低于水，帶走高熱流密度的能力很差，一般將熱流密度控制在幾十W/cm²以?xún)?nèi)，因此，只能用于低熱流密度的部件。

低熔點(diǎn)液態(tài)金屬或其合金作為一種新型的散熱工質(zhì)，比如鎵及其合金，熔點(diǎn)低于20度，鎵合金的過(guò)冷度高，能夠長(zhǎng)時(shí)間在零度以下環(huán)境中保持液態(tài)，最關(guān)鍵的是對(duì)流散熱系數(shù)是水的幾十倍，適合超高熱流密度(300W/cm²以上)發(fā)熱部件的散熱，另外，液態(tài)金屬的沸點(diǎn)超過(guò)2千度，即使在幾百度高溫下運(yùn)行，也不會(huì)產(chǎn)生水或油的沸騰問(wèn)題，非常安全可靠。

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的低熔點(diǎn)液態(tài)金屬或其合金已經(jīng)應(yīng)用于一些高熱流密度部件的散熱，比如：文獻(xiàn)《電磁驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬熱控系統(tǒng)分析》對(duì)低熔點(diǎn)液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；專(zhuān)利CN102637542B介紹了一種基于液態(tài)金屬或其合金循環(huán)散熱的大容量直流斷路器用散熱器；CN203038911U介紹了一種基于液態(tài)金屬的散熱裝置。上述應(yīng)用領(lǐng)域都是直接用在地電位端進(jìn)行循環(huán)散熱，不涉及在高電位端散熱的問(wèn)題。由于液態(tài)金屬是良導(dǎo)體，不能直接在高低電位端之間循環(huán)。目前還未見(jiàn)到將低熔點(diǎn)液態(tài)金屬或其合金應(yīng)用在高電位端進(jìn)行散熱的研究，尤其是未見(jiàn)到用在高產(chǎn)額中子發(fā)生器領(lǐng)域的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，解決目前在高電位端無(wú)法對(duì)空間尺寸受限的高熱流密度部件散熱問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高產(chǎn)額中子發(fā)生器高電位端散熱裝置，其技術(shù)構(gòu)思是：包括兩套冷卻循環(huán)系統(tǒng)，一套是位于高電位端的液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)，一套是跨接高低電位端的絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)通過(guò)液態(tài)金屬與絕緣油熱交換器進(jìn)行熱量交換，液態(tài)金屬循環(huán)冷卻系統(tǒng)的熱量由絕緣油循環(huán)冷卻系統(tǒng)帶走。具體技術(shù)方案是：