该项目所属科学技术领域：同步辐射及实验技术，核探测技术与核电子学2015年2月，高能同步辐射光源验证装置(High Energy Photon Source Test Facility，HEPS-TF)项目建议书获国家发展改革委批复。高能同步辐射光源验证装置是《国家重...
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该项目所属科学技术领域：同步辐射及实验技术，核探测技术与核电子学
2015年2月，高能同步辐射光源验证装置(High Energy Photon Source Test Facility，HEPS-TF)项目建议书获国家发展改革委批复。高能同步辐射光源验证装置是《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2011-2030)》“十二五”期间重点建设的大科学工程项目之一，建设周期为3年，总投资估算约3.235亿元，研究内容主要是围绕高能光源的建设开展前期关键技术的研发工作。这一科学工程项目集多种高新技术于一身，涉及的主要科学和技术有：微波技术、超导高频技术、超导磁铁技术、超高真空技术、机械加工工艺、计算机网络、快速电子学、大功率电源、X射线光学和探测、先进自动控制技术等。
同步辐射纳秒时间分辨探测器是光束线技术中重要的X射线探测设备，是核共振、非弹散射、超快时间分辨等实验站的核心设备之一，主要实现对X射线单光子的快速测量，记录单光子的精确时间信息，时间分辨达到亚纳秒量级，同时在十几keV能量段具有较高的探测效率。纳秒时间分辨探测器包括APD(雪崩光电二极管)传感器，实现对X实现的直接探测，将X射线光子信号转化为电子信号；高带宽高速电流型前放电路，实现对纳秒电流脉冲信号的放大，增益达60dB，时间分辨好于1ns；纳秒时间数字转化读出电子学系统，实现对X射线时间测量，基于FPGA技术，完成时间测量，使得系统具有较低的成本和较高的可扩展性。项目组完成了高量子效率X射线APD传感器的性能研究与测试，确定了传感器的型号，同时与国内实验室开展了高时间分辨传感器的联合研发；完成了基于分立元件和集成电路技术(ASIC)两种快速前放的设计、测试与应用；完成了基于FPGA的时间数字测量读出电子学系统的设计、测试。
该探测器已经在北京同步辐射装置实验室和美国先进光源(APS)实验站得到了应用，运行稳定可靠，得到了用户的好评，同时该探测器还直接服务于高能光源验证装置-超快时间分辨和高分辨单色器子项目，顺利完成了项目验收与用户实验。同步辐射纳秒时间分辨探测器的成功研发，填补了国内X射线单光子时间探测器领域的空白，同时致力于服务全世界同步辐射装置。由于该类探测器在世界范围内尚无成熟的产品，因此该探测器的成功研发，实现了探测器的国产化，同时为国外同步辐射纳秒时间分辨实验提供了探测手段。
熔盐堆（Molten Salt Reactor,MSR）是第四代核能系统国际论坛上提出的六种先进堆型之一,具有良好的经济性、固有安全性及防核扩散特性。随着熔盐堆的发展,目前已形成两大研究方向,一种是以液态燃料盐和冷却盐为一体的液态燃料熔盐堆,...
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熔盐堆（Molten Salt Reactor,MSR）是第四代核能系统国际论坛上提出的六种先进堆型之一,具有良好的经济性、固有安全性及防核扩散特性。随着熔盐堆的发展,目前已形成两大研究方向,一种是以液态燃料盐和冷却盐为一体的液态燃料熔盐堆,另一种是采用固态燃料与液态熔盐冷却剂的固态燃料熔盐堆,又称氟盐冷却高温堆。两种堆型具有一些共同的技术特点,如固有安全性高,工作环境高温（700°C）低压（<1MPa）,熔盐冷却剂沸点高,反应性温度系数为负,经济性好等。液态燃料熔盐堆可利用钍铀循环实现燃料增殖,增大钍资源利用率,发展干法后处理技术可显著减少燃料后处理成本。氟盐冷却高温堆采用弥散TRISO颗粒构成的燃料组件,失效温度高（约为1400°C）。此外,熔盐堆还可应用在线换料、无水冷却等技术。在小型化、模块化的思想引领下,发展小型模块化熔盐堆,除了满足一定的用电需求外,还能与其他新能源耦合工作如作为热源供给参与高温制氢、高温制甲醇等,提高了反应堆的灵活性。熔盐堆的瞬态分析是反应堆安全运行的重要方面。熔盐堆的研究集中在上世纪60年代橡树岭国家实验室（ORNL）,很多设计研究工具并没有像轻水堆研究工具一样得到充分的发展与大量的实验研究。近年来,随着材料工艺和制造业的发展,以及核能发展的多样化需求,国内外科研院所大量投入研究熔盐堆技术,熔盐堆的瞬态分析和系统仿真工作在此基础上得到了一定的支持和发展。反应堆的系统分析工作复杂,往往通过实验获得其工作特性和运行策略,但是需要投入大量资金和人力。随着计算机技术和仿真技术的发展,大型系统的运行分析工作往往通过系统分析程序进行。这样可以提高系统分析工作效率,减小分析成本,缩短工作周期。本文首先结合熔盐堆的运行特点,调研相关设备的等效计算方法;其次,建立系统分析的数学物理模型,开发一套针对熔盐堆的系统分析程序TREND（Transient Systematic Analysis Code for MSR）,并对熔盐堆进行初步的系统瞬态分析工作。本文从基本守恒定律出发,基于交错网格技术,采用有限体积的半隐式差分方法联立求解质量、动量与能量守恒方程,采用高斯赛德尔算法（G-S）求解管网的压力矩阵,更新流体的速度场、压力分布等信息;采用有限体积法对不同的几何热构件进行数值离散,考虑了非均匀的结构材料的排布与非均匀的内热源分布,以及三种边界条件;采用点堆或者读取功率表格的方式实现功率加载,使用龙格库塔法求解点堆中子动力学的刚性方程。热工水力现象较中子动力学更为宏观,时间尺度可以设置的更加宽松。流体动力学模型与热构件模型相互耦合求解,获得系统的温度分布、流量分布和压力分布,为分析系统瞬态行为提供参考。反应性模型与控制棒模型相互耦合,方便研究反应堆控制逻辑和策略。此外,热工水力模型计算的流体温度可作为热电转换模块的输入参数,用于计算系统的热力循环参数,获得反应堆的发电效率。熔盐堆的堆芯核功率计算需要分开考虑。对于液态燃料熔盐堆,燃料盐与冷却盐相互融合,在点堆模型中增加一个缓发中子先驱核动力项体现回路中燃料盐的缓发中子的流动效应。对于固态燃料熔盐堆,燃料组件位于堆芯,一回路中无燃料影响,可近似认为除了堆芯外,不存在热源。但是两种点堆模型的计算参数都需要取自熔盐堆的中子物理计算结果。此外,本文总结了熔盐堆所用的燃料、冷却剂、结构材料的物性参数,管壳式换热器换热模型,泵模型,堆芯衰变热模型,压缩机、透平计算模型,堆芯压降与换热计算模型等。本文开发的TREND程序可用于分析熔盐堆的运行瞬态,研究控制逻辑、热电转换效率等。用户可以在输入卡中建模,方便友好。本文将系统分析程序中的基本模型的数值解与其解析解进行对比,同时结合CFD、RELAP5等程序对本程序进行验证,确保基本模型的计算结果与商业程序不会出现较大偏差。通过对比液态熔盐堆点堆的计算结果与MSRE启泵/停泵的实验结果,以及对比固态点堆数值解与点堆解析解以确保点堆模型计算的正确性。本文对MSRE系统进行建模仿真,借助MSRE早期的自然循环实验结果验证TREND程序的核热耦合计算模块,进而评估TREND程序对熔盐堆系统热工水力计算的准确性。本文最后介绍了程序部分模块与硬件设备和回路耦合进行熔盐实验相关的工作,介绍了半实物仿真技术、控制技术和进行的热工水力实验等相关内容。将TREND程序中的控制模块应用于在中国科学院上海应用物理研究所的硝酸盐回路的熔盐温度调控中,借助相关的控制技术和方法对控制器进行初步优化,并研究了模糊控制应用于熔盐回路温度控制的可行性。在美国加州大学伯克利分校的CIET实验装置,通过耦合MATLAB与LabVIEW实现对回路系统的控制与半实物实验的测试,完成了对回路功能的升级改造,为后续开展半实物仿真和系统仿真工作奠定了基础。
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