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.