On the structural integrity of the container for a liquid metal spallation target under high powerpulsed proton irradiation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Carla Byloos

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• Physik
• Astronomie

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

On the Structural Integrity of the Container
for a Liquid Metal Spallation Target
under High Power Pulsed Proton Irradiation
Von der Fakulta¨t fu¨r Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen¨
zur Erlangung des akademischen Grades einer
Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation,
vorgelegt von
Carla Byloos
aus Piove di Sacco, Padova, Italien
Berichter: Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Dr.h.c. Hubertus Nickel,
apl. Prof. Dr.techn. Hans Ullmaier,
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lorenz Singheiser.
Tag der mundlichen Prufung: 28. Februar 2003¨ ¨
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfu¨gbarKurzfassung
Die Neutronen sind ein ideales Mittel, um die mikroskopische Struktur und Dynamik der
Materie und ihr Verhalten zu verstehen.
Haupts¨achlich werden Neutronen durch Kernspaltung in Reaktoren produziert oder durch
andere Kernreaktionen wie die Spallation, die aber einen Beschleuniger benotigen.¨
Eine wesentliche Erhohung des Neutronenflußes, der die instrumentelle Auflosung verbessern¨ ¨
wurde, ist in Reaktoren durch Warmeabfuhrprobleme begrenzt.¨ ¨
Obwohl gepulste Reaktoren teilweise diese Grenzen uberwinden konnen, ist die Spallation eine¨ ¨
effizientere Weise, Neutronen zu produzieren, denn die freigesetzte Energie pro verfu¨gbaren
Neutron ist um eine Großenordnung geringer.¨
Eine neue Neutronenquelle, die von der Entwicklung der letzten 20 Jahren in der
Beschleuniger-technologie profitieren wird, ist die Europaische Spallationsquelle (ESS).¨
Mit den Spezifikationen fu¨r diese neue Quelle, ein 2× 5 MW Linearbeschleuniger, zwei
−1Targetstationen mit unterschiedlichen Pulsfolgen: eine Kurzpulsstation mit 50 s und 1 μs
−1Protonenpulsdauer, eine Langpulsstation mit 162/3 s und 2 ms Protonenpulsdauer, wird ein
17 −2 −1Neutronenspitzenfluß von 1 bis zu 2×10 n cm s fu¨r die Kurzpulsstation erwartet.
Ein Flussig-Metall-Target wurde ausgewahlt fur die ESS, da es am besten geeignet sein sollte,¨ ¨ ¨
um die gegebene Anforderungen fu¨r die Neutronenproduktion und Lebensdauer zu erfu¨llen.
Die internationale ASTE (AGS Spallation Target Experiment) Kollaboration wurde ins Leben
gerufen, um die Probleme der Strukturmaterialien des Targets zu identifizieren und zu l¨osen.
Innerhalb dieser Zusammenarbeit wurde ein Flussig-Metal-Target mit einer vereinfachten¨
Geometrie aufgebaut. In der Zeit zwischen 1997 und 2001 wurden verschiedene Experimente
zur Messung wichtiger Großen wie Druck, Dehnungen oder Temperatur unter realistischen¨
Bedingungen durchgefu¨hrt.
Wertvolle Erfahrungen zu experimentellen Techniken zur Messung der obergenannten Großen¨
unter einer hoher Strahlbelastung konnten gesammelt werden.
Die Finite-Elemente-Simulationen des Problems erm¨oglichten, neben den Ergebnissen fu¨r die
¨Dehnungen, die in guter Ubereinstimmung mit den experimentellen Daten waren, eine bessere
Einsicht in die durchgefu¨hrten Druckmessungen.
In der kritischen Zeit, die der Protonenpulsenergiedeponierung folgt, liegen die abgeschatzten¨
maximalen Spannungswerte unter ESS Bedingungen noch innerhalb der Elastizita¨tsgrenzen fu¨r
die in Frage kommenden Materialien des Targetsbehalters.¨
¨Trotzdem wird weitere Forschung ben¨otigt, um die Anderungen der mechanischen
Eigenschaften der Materialien unter hoher Strahlenbelastung und auch die mogliche Korrosion¨
und Kavitation zu beru¨cksichtigen.Abstract
Neutrons are an ideal probe for understanding the microscopic structure and dynamics of the
matter and its behaviour. They are mainly produced by the fission chain reaction in reactors
or by some accelerator-based reactions such as the spallation.
An increase of the neutron flux of reactors for a better instrumental resolution is limited by
heat transfer problems. Even if pulsed reactors may partially overcome this limits, a more
effective way to produce neutrons seems to be the spallation reaction because the amount of
energy released per available neutron is smaller by an order of magnitude.
Profiting of the significant advances in the accelerator technology during the past 20 years, a
new spallation source has been planned. The specifications given for the European Spallation
Source (ESS), a 2× 5 MW linear accelerator as the power source, two target stations with
different pulse repetition rates: Short Pulse Target Station (SPTS) at 50 Hz repetition rate, 1
−1μs proton pulse length, Long Pulse Target Station (LPTS) at 162/3 s repetition rate, 2 ms
17 −2 −1proton pulse length, a peak neutron flux up to 2×10 n cm s for the SPTS, will, besides
assuring the availability of a general purpose neutron source for the research, also enlarge its
actual application field.
A liquid metal target appeared to be the best choice in order to fulfil the given specifications
for the neutron production and lifetime.
In order to identify and solve the problems connected with the structural integrity of the liquid
metal target within the specified operative conditions the international ASTE (AGS Spallation
Target Experiment) collaboration was created.
Within this collaboration a liquid mercury target with a simplified geometry was built. In
different experiments which took place between 1997 and 2001 various efforts in order to
measure relevant quantities as pressure, strain or temperature under realistic conditions were
done.
Considerable experience was gained concerning the experimental techniques necessary to
measure such quantities in a highly radioactive environment .
The finite elements simulations of the problem besides giving results in good agreement with
the experimental strain data, provided a better insight as far as the pressure measurements in
the mercury are concerned.
The estimated maximum stress values under the ESS operative conditions in the first critical
instants after the beam energy deposition are still within the elasticity limits for the materials
under examination.
Nevertheless, the modifications in the mechanical properties induced by the irradiation and
also by the probable corrosion and cavitation need further investigations.Contents
List of Tables iii
List of Figures v
1 Introduction 1
1.1 Neutron Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The spallation source target station. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 The structural materials problem of liquid metal target
vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 The finite elements method (FEM) 9
2.1 The ABAQUS solvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Material model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Contact model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Experimental efforts concerning the structural problem 19
3.1 Experiments on thermal stress experienced by a mercury target vessel . . . . . . 21
3.2 The pressure measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 The fiber-optic strain gauge sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 FEM calculations 29
4.1 Problem Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.1 ESS and ASTE application case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Energy pulse profiles and applied loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 The two dimensional model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.4 The pressure sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.1 The eigenfrequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.2 The sensor laser support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.3 The static calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 The three dimensional model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.1 The sensor and its displacements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5.2 The strain of the target container . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5 Conclusions 79
A A brief introduction to the finite element method 83
A.1 The fundamental equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
A.2 The equations for the dynamic case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
iB Mechanical wave propagation 91
B.1 Stress wave propagation in solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
B.2 Sound waves in fluids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
C Estimation of a permissible program performance for a 3D model 101
C.1 The steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
C.2 The mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Bibliography 113
iiList of Tables
1.1 Principal reactor neutron sources in Europe an