Wissenschaftliche Berichte – FZKA 6611

Numerical Design of the Active Part of the MEGAPIE Target

Abstract

Thermal-hydraulic analysis of the active part of the MEGAPIE target has been performed using the CFX 4.3 code. Three types of geometric configurations, i.e. with a flat guide tube, with a slanted guide tube and with an injection bypass are investigated with the main emphasis on the coolability of the beam window and the heat removal from the active part of the target. In the target with a flat guide tube flow stagnation occurs in the region near the window center. This leads to an excessive hot spot on the window surface. To improve the coolability of the window, two methods are proposed. By the first method the lower end of the inner cylinder is cut with an inclined cross section. In this way, the axis-symmetry of the flow is destroyed and the flow stagnation zone near the window center is reduced. However, the improvement of heat transfer is insufficient to keep the window temperature below the design value. The second method is to introduce a bypass injection to remove the flow stagnation zone from the window center region. Two different kinds of bypass tubes are considered, i.e. a rectangular tube and a circular tube. A systematic parameter study has been performed for the configuration with a rectangular bypass tube. Based on the numerical results, optimum values of some geometric parameters (i.e. position and size of the bypass tube) as well as of flow rate can be obtained. Preliminary calculations for the target with a circular bypass tube show very promising results. With a simple circular bypass tube, the beam window can be cooled sufficiently. Nevertheless, further detailed numerical studies are necessary to optimize the design parameters. The numerical calculations have to be backed up by model experiments, using both water and lead-bismuth as fluids.

Nummerische Auslegung des aktiven Teils des MEGAPIE Spallationstargets

Kurzfassung

Nummerische Untersuchungen zum thermohydraulischen Verhalten des aktiven Teils des MEGAPIE Targets wurden durchgeführt. Dabei wurde der CFD Code CFX4.3 eingesetzt. Drei verschiedene geometrische Konfigurationen des Targets wurden untersucht, nämlich mit einem flachen Führungsrohr, mit einem schräg geschnittenen Führungsrohr und mit einer Bypass-Strömung. Die Kühlbarkeit des Strahlfensters sowie die Wärmeabfuhr aus dem Spallationstarget wurde analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in einem Spallationstarget mit einem flachen Führungsrohr ein großer stagnierender Bereich nahe des Fensterzentrums entsteht. Dies führt zu einer extrem hohen lokalen Temperatur an der Fensteroberfläche. Bei der zweiten Konfiguration wird das untere Ende des Führungsrohrs schräg geschnitten, um die Symmetrie der Strömung zu zerstören und die stagnierende Zone zu reduzieren. Trotz einer Verbesserung des Wärmeübergangs bleibt die Kühlung des Fensters nach wie vor ungenügend. Die maximale Temperatur an der Fensteroberfläche überschreitet weiterhin den Auslegungswert. Bei der dritten Konfiguration wird eine Bypass-Strömung eingeführt, die direkt auf die Umgebung des Fensterzentrums gerichtet wird, um die stagnierende Zone nahe des Fensterzentrums vollständig zu entfernen. Zwei verschiedene Typen von Einspeisungsrohren wurden untersucht, nämlich ein rechteckiges Rohr und ein kreisförmiges Rohr. Für das rechteckige Einspeisungsrohr wurde eine systematische Untersuchung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Konzept mit einer Bypass-Strömung vielversprechend ist. Damit kann das Fenster ausreichend gekühlt und die Wärme aus dem Spallationstarget abgeführt werden. Es bedarf jedoch weitere nummerische Untersuchungen, um die geometrischen Parameter und den Massenstrom der Bypass-Strömung zu optimieren. Die nummerischen Untersuchungen müssen durch Modellexperimente begleitet werden, die sowohl Wasser als auch Blei-Wismut als Fluide verwenden.