驱动离子束FFAG加速器与C-ADS输运中若干物理问题的探索研究

【摘要】中国加速器驱动次临界堆系统(C-ADS)是为解决我国目前日益增长的能源需求和正在运行或计划建造中的核电站内核废料处理的难题而提出的一种新型能源方案,它可以提供清洁核能源、嬗变核废料和增殖核燃料。作为次临界系统,自身具有的固有安全性可以杜绝核临界事故发生的可能性,并且资源利用率高,产生的核废料极少,所以,普遍认为ADS具有很高的经济效益。C-ADS主要由高功率质子加速器(HPPA)、散裂靶和次临界反应堆等系统组成。C-ADS的安全运行,首先对驱动加速器输出的质子束流情况提出了很高的要求；其次对连接加速器末端和靶／废束站的高能输运线(HEBT)也提出了较高的性能和技术上的要求。ADSHPPA不仅要满足能量>700MeV,束流功率>10MW,并且还应具有高可靠性、高可用性和高可维护性。目前日益蓬勃发展的固定场交变梯度加速器(FFAG)是一类固定磁场、组合作用、交变梯度聚焦的环形加速器,具有高重复频率、高流强、尺寸小和成本低等优势,理论上可能可以考虑作为ADSHPPA的候选之一。另一方面,影响聚变包层材料微观性能变化的氦脆效应至今尚无有效解决办法,为此需提供氦离子用于氦脆机制等的进一步相关研究。所以,课题研究中借助于氦离子(He2+)FFAG加速器的设计研究,为FFAG加速器在ADS中的应用提供可行性。小型低能He2+FFAG加速器采用八个周期等比径向triplet-DFD聚焦结构,提供能量2-36MeVHe2+束,设计轨道径向跨度0.5m,注入与最大能量引出对应轨道总长为11.42m、14.51m,回旋周期跨度1163.60ns-350.90ns。针对低能和低回旋频率特点,He2+FFAG加速器采用感应加速方式,全环设计有4个感应腔,每回旋两圈加速一次,腔压5kV。粒子纵向跟踪中,提出了两种同时具有约束能散和纵向聚束作用的加速波形：双平台波形和头尾约束波形。He2+FFAG加速器的注入源考虑采用2.45GHz永磁微波离子源,其产生的15mAHe+经剥离靶后得到30mAHe2+,再经高压平台或小型增强器加速至2MeV,通过切割磁铁和冲击磁铁的结合作用将其注入进主环内。C-ADSHEBT是系统安全可靠运行的主要保障,课题中将线性束流光学设计和打靶束团分布均匀化变换作为其设计的两个方面来研究。首先,C-ADSHEBT布局设计中,我们初步考虑将其与linac末端相连的一段束流水平传输段置于linac隧道内,紧跟其后的偏转消色散段置于输运线隧道内,其余的全部输运段均与反应堆同在反应堆大厅内,以便于整个HEBT系统的维护、维修。为均束操控系统的安装和反应堆大厅的合理使用,束流在打靶之前先经过爬坡段后再下射,并且此段输运线在水平方向上的应尽可能短,以便简化辐射屏蔽系统的设计。针对两种不同束团分布变换方案,论文给出了两种束流线性光学设计方案。在第一种采用hurling铁束斑变换方案中,除考虑了以上的几点以外,设计将hurling铁置于下射段前的水平段内,并在靶前设计了一个φ20mm左右的双束腰点,便于安装准直器用于限制反冲中子。第二种采用非线性反对称高阶场进行束斑变换的方案中,结合C-ADS的工程进度,我们分别给出了三个能量阶段对应的输运线设计情况,为均束操控系统预留了充裕的空间用于安装调试。高功率质子束团分布均匀化变换不仅是ADS中面临的主要问题,也是散裂中子源、材料辐射效应等课题研究面临的必须解决的主要问题之一,论文中给出了束斑变换的两种方案。第一种方案采用一种新颖的旋转抛束磁铁(hurling铁),该磁铁可以提供kHz调幅频率、数十kHz调幅正弦波频率的绕束轴旋转的径向二极磁场1,一个合适尺寸的束流在经过它及其下游相匹配的二、四极磁铁组合后,可以在靶上得到一个均匀度好于80%、φ300mm圆斑束,基本满足了靶上对束斑的要求。第二种方案采用非线性反对称高阶场磁铁,论文中提出了一个新颖的反对称简易十二极场磁铁(SDFM),它可以很好的聚焦束晕粒子至束晕内层或束核区域内。SDFM和简易反对称六极场磁铁、简易反对称八极场磁铁或简易反对称十极场磁铁结合,理论上可以在靶上得到大尺寸、近似均匀分布的圆斑束,该磁铁已申请国家发明专利,专利申请号201210334199.2。上面对He2+FFAG加速器设计和C-ADSHEBT设计2做了简单说明。通过He2+FFAG加速器的概念研究和设计,在提供氦离子束的同时,可以为FFAG加速器在ADS中的应用作为参考。C-ADSHEBT束流光学初步设计可以为高能输运线的后期进一步深入优化和工程设计提供参考。两种方案的束团分布变换的跟踪模拟结果已经初步证实hurling铁和SDFM可能能够满足靶上对束斑的要求。
【作者】罗焕丽；
【导师】徐宏亮；王相綦；
【作者基本信息】中国科学技术大学，核技术及应用，2013，博士
【关键词】C-ADS；FFAG；等比径向；感应加速；HEBT；散裂靶；束斑变换；圆斑束；hurling铁；SDFM；

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