[实用新型]一种高产额中子发生器高电位端散热装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及核技术及应用领域，尤其涉及高产额中子发生器高电位端散热装置。

背景技术

加速器中子发生器的离子束轰击靶时产生很高的能量沉积，即使在通水冷却的条件下，靶上能够承受的热功率密度也必须控制在一个合适的范围。目前通常采用三种方式提升靶承受热功率的能力：一是加大离子束束斑直径，这种方法的优点是靶上可以承受更多的离子束注入，总的中子产额增加，这种方法的缺点是中子源的点源特性变差，准直比降低，这在很多应用领域都是不利的，比如：快中子照相、中子治疗、爆炸物检测等。二是中国专利CN203057673U(公开日为2013年1月27日)公开了一种采用旋转靶方式增加靶面积的方法，该方法的优点是可以在不增加束斑尺寸的条件下，提升靶承受沉积功率的能力，进而提升中子产额和通量，该方法的缺点是结构复杂，体积庞大，有运动机构，可靠性稍差，成本较高；三是中国专利CN201010238639.5(公开日为2010年7月28日)公开了一种采用气体靶的方法，该方法的优点是无固定靶，产额高，靶寿命长，该方法的缺点是技术难度高，真空系统体积庞大，能耗高，造价高。上述三种方法，适合在地电位端工作，放在高压端，结构及控制都会异常复杂。

高产额中子发生器，靶上的热功率高达几十kW～几百kW,加上很多情况下发热部件的尺寸小，热功率密度将会非常高，达到几百W/cm²。

在散热工质选择方面，中国专利CN103200759A(公开日为2013年7月10日)公开了一种利用高导热陶瓷对高压端靶进行散热的方法，该方法适合热流密度不高的中子发生器上使用，不适合极高热流密度部件的散热。

水作为最常用的散热工质，散热能力很强，但是不适合直接连通高电位端进行散热，一是在直流电压下，水会分解成氢气和氧气，非常危险；二是水的绝缘性能不好，即使是高纯度去离子水，在循环管道中，也很容易溶解杂质，造成绝缘性能下降；三是热功率密度超过300W/cm²，水与靶内壁的温差超过100度，水将进入沸腾散热模式。在高压端，循环水处在密闭小空间内，沸腾可能引起内部高压力，造成严重故障。

绝缘油是另一种比较常用的散热工质，可以用在高电位端对靶进行循环冷却，解决了跨接高低电位的问题。但是，油的粘滞系数大，散热能力远低于水，带走高热流密度的能力很差，一般将热流密度控制在几十W/cm²以内，因此，只能用于低热流密度的部件。

低熔点液态金属或其合金作为一种新型的散热工质，比如镓及其合金，熔点低于20度，镓合金的过冷度高，能够长时间在零度以下环境中保持液态，最关键的是对流散热系数是水的几十倍，适合超高热流密度(300W/cm²以上)发热部件的散热，另外，液态金属的沸点超过2千度，即使在几百度高温下运行，也不会产生水或油的沸腾问题，非常安全可靠。

近年来发展起来的低熔点液态金属或其合金已经应用于一些高热流密度部件的散热，比如：文献《电磁驱动液态金属热控系统分析》对低熔点液态金属散热系统进行了详细介绍；专利CN102637542B介绍了一种基于液态金属或其合金循环散热的大容量直流断路器用散热器；CN203038911U介绍了一种基于液态金属的散热装置。上述应用领域都是直接用在地电位端进行循环散热，不涉及在高电位端散热的问题。由于液态金属是良导体，不能直接在高低电位端之间循环。目前还未见到将低熔点液态金属或其合金应用在高电位端进行散热的研究，尤其是未见到用在高产额中子发生器领域的报道。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高产额中子发生器高电位端散热装置，解决目前在高电位端无法对空间尺寸受限的高热流密度部件散热问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高产额中子发生器高电位端散热装置，其技术构思是：包括两套冷却循环系统，一套是位于高电位端的液态金属循环冷却系统，一套是跨接高低电位端的绝缘油循环冷却系统。两套系统通过液态金属与绝缘油热交换器进行热量交换，液态金属循环冷却系统的热量由绝缘油循环冷却系统带走。具体技术方案是：