目前来说，经过项目组前期工作，DGT 靶的技术方案已经基本上能够确证其作为一种新型高功率靶装置实际应用前景。在 DGT 靶提出之前，液态金属散裂靶长期作为高功率散裂靶的主要方案，而 CIADS 项目中的 DGT 散裂靶也正是在对液态金属散裂靶特别是无窗靶的长期研究所遇到的重点难点问题思考基础上提出的，因此有必要就液态金属散裂靶的问题进行回顾，以充分阐明和对比性理解靶系统热工问题。

无窗靶则自 1999 年起在比利时 SCK•CEN 进行的 MYRRHA 项目对相关问题进行了较为深入的研究，之后在欧洲高放废料嬗变处理项目 EUROTRANS 框架内继续发展，特别是束流耦合作用区的热工流体问题的研究开展的比较多。这一项目采用的是回路结构的靶系统，由管道中的环形喷口形成耦合界面，具有散裂反应区域长，结构简单的特点，因此广泛作为无窗靶设计时的参考构型。

除了本人所在团队在科学院 ADS 项目中进行的 MYRRHA 构型无窗靶研究工作外，对这一结构的开展工作较多的还有数值模拟与实验研究工作较为全面的的上海交通大学核学院顾汉洋、程旭团队，以数值模拟为主的中国科学院大学刘捷团队，以及开展时间最长 MYRRHA 项目自身研究团队。

在本章，结合本人在前期液态金属无窗靶方面曾开展的一些工作，并将这些工作与 DGT 靶这一新构型在研究方法、耦合界面形成、基本力学原理及其导致的现象相比较，通过这一部分的工作的阐述，能够更好的理解 DGT 靶的特点及其应用前景。本章中，引用了其它研究团队的部分工作进行了对照及问题佐证，但主要的未引用参考文献的部分为独立原创工作，在理论分析、数值计算、实验测量等方面均有涉及。

程旭等认为在液态金属靶的研究过程中较为合理的可分为三个阶段：通过CFD 方法建立靶模型进行数值模拟；建立实验研究回路通过水这种成本低廉并便于观测的工质进行试验，对于模拟结果进行校验并通过实验装置观察研究实际工作状态和系统性问题；第三步再建立液态金属回路对于液态金属运行相关的问题进行考察研究。

而 DGT 靶的研究路线与之有一定的不同。在项目的前期，模拟工作所起的重要作用同样不可替代，但事实上由于目前 DEM 模拟和 CFD 模拟在计算能力和成熟程度的区别，会更多的通过小型实验进行实验研究工作。由于液态材料和颗粒材料的性质区别，DGT 靶中用于流动问题的研究小型装置在成本、操作性上都要更易于实现：对于流动问题的研究装置颗粒材料并不需要与液体一样要建立完整的回路以提供工质的循环流动，颗粒流动的特性一方面决定了系统不会采用复杂的流道结构；另一方面，与液体不同，颗粒对于回路要求低，即使管路系统达不到气密或者水密仍可对多数问题进行研究，其循环也并不需要稳定压力水头的驱动，在重力作用自发流动的颗粒体系的主要受到出口结构的影响，这样对于小型流动装置可以采用手动向上方储料缓冲容器加料的方法实现对局部流动问题的研究。

由于 HLM 的操作测量的不便和危险性，主要的靶区流动实验研究都从水回路靶结构研究开始。以水为工作介质，在研究初始阶段对无束流加载状况下流动特征的流动传热研究是可行的。另外，液态金属靶采用水作为研究工质的目的不仅是降低实验成本，更是研究过程中测量方面的需要。液态金属不透明，只能借助超声多普勒方法进行测量，仅此一点就决定了无法通过实际的液态金属掌握内部流动的情况，而通过建立水回路实验装置，就可以通过 PIV 或者PTV 的方法实现三维流动中对内部流场的观测；而颗粒体系本身就决定了难以通过常规手段观察内部情况，对于这一体系内部流动的观察需要采用 X 射线成像的手段，这样一来对于台架的要求就仅仅是通过小型化装置和低 X 射线吸收的材料进行观测。而特殊结构的制造加工，也允许采用 3D 打印和拼接的方式非常容易的实现。这种便利的特性使得对于颗粒靶在研究进程中的前期就可以采用实验手段进行探索，这样一来就能够为靶的研究提供更多直接来自实验的第一手资料，加快模拟和装置研究过程的比照回合。

液态金属靶装置研究的所建立液态金属回路，其目的也是多方面的，不仅要通过这一装置测试关键的靶段流动状态，此外还要对于材料相容性进行考察，同时还要测试回路中的关键设备，包括成分控制、换热、驱动等方面。这样的回路建造不仅需要较为复杂的系统支持，同时所使用的液态金属材料也对于设备和建设提出了更高的要求，如采用 Hg 作为工质需要充分考虑其毒性、危害性，而 LBE的熔点需要 125℃，运行温度就要求更高，这样的温度环境对于设备可靠性、装置建设方面都是不利因素。在研究中，还逐渐注意到了 HLM 在高温和高流速情况下对于结构材料的损伤，这一项目给出了HLM靶工质应当将温度控制在550℃以下，同时流动速度不应超过 2.5m/s 的限制。另外在实际的工况中，由于加速器的工作要求，液面处也应维持 10^-3mbar 以下的真空。在这些限制条件之中，可以看出以水靶水回路在进行原型尺寸和条件的模拟时是有着相当能力和便利条件的。但同时应当注意到，由于物性条件的限制，水在室温时具有 2350pa的饱和蒸汽压使得水回路的真空实验非常困难，这一不同的影响是在某些问题上是决定性的。

而颗粒靶研究所使用的回路装置由于固体颗粒的安全稳定性在少数意外情况下也不会造成严重事故后果，因而更易于搭建。由于在靶设计条件下气体的压强和流动对于颗粒的运行并不造成影响，因此回路中的颗粒在常压和真空的条件下运行状态基本是相同的，在常压环境下运行时，可以比较容易的进行人为干预，例如进行试验段的更换，可用于流动性和材料磨损的研究；而真空条件下则可以对换热器、真空差分、气路循环等关键设备进行测试，整体装置还可以实现前期束流耦合实验等等。

由于颗粒系统独特的力学特性，DGT 靶系统与液态靶系统在工程流体方面既有相同之处也有不同之处。不同于液体，颗粒系统非连续介质，当在重力作用下自由流出的液体系统存在在多个阀门控制流量时，液体系统根据全部阀门产生的流动阻力和压头达到稳定流量。而颗粒系统中的压强通常无法有效的直接促进颗粒堆积体流动，重力作用下自由流出的颗粒系统达到的稳定运行流量则由各流量控制阀门中允许通过量最小的决定。通常可以根据阀门开度调节各处的颗粒积存量分配，但总体来说对于实际系统仍必须依赖自动化反馈控制。总体来说，一套完整的颗粒流程通过阀门、输送装置将系统分成较为独立的单元，这样一来仅需保证后一单元的处理量不小于前一单元即可，从而能够简化每一个单元的结构。从颗粒独特的力学特性来看，做这种设计是必要而且合理的，颗粒独特的流动特性决定了颗粒的流通量特性难于直接用压力进行控制，而又受到管路结构、自身表面与粒度的影响，在系统设计上不能具备流体系统一样良好的连通与连续性，这一特性应当得到充分的关注与利用。对于本套装置，为了使整个系统运行稳定，系统由很少的限流装置控制流量，而输送系统在较大功率运行，将到达靶系统底端的颗粒完全返回顶端注入。

另外颗粒流靶系统有着其独特的限制条件，这些限制条件主要来自应用环境，并且作为先决条件需要得到不可妥协的满足。例如，整套系统运行时只能允许单个主提升系统存在，水平输送也应当尽量予以避免；主管道上的阀门应当尽量少，如的确需要，也应当尽量靠近提升系统；在主要效能部分，颗粒需要连续经过连通的测量、筛选、加热、冷却等功能段，并且具有很高的可靠性等等。这些需求还需要在目前现有的粉体设备的基础上加以改进。

总的来说，以颗粒流作为工质的靶能够在更大程度上减少研发成本，推进项目进展。

在项目前期研究 HLM 靶的过程中，在项目的框架下搭建了较大尺寸的水模拟回路与 ANSYS 数值模拟方法共同进行靶系统回路流动研究。相比于仅建立靶段流动条件的模拟台架，全回路台架将靶段的运行条件与类似实际条件下回路的运行结合起来，并能够提供更大的流量流速，对于理解系统运行条件对靶段行为的影响具有更重要的作用。水模拟回路旨在研究 ADS 散裂靶回路当中的相关流体力学问题，为进一步的液态金属模拟实验提供指导性依据。

回路试验段高约 2.6 米，宽约 2.5 米，主管道内径为 φ80，采用不锈钢加工。在泵出入口处设有分流支路，以稳定主干回路工作状态。回路中设计了真空接口，并能够进行水环泵下的真空实验。最大稳定实验流量 40m³/h，对应靶区最大流速~2m/s，与 MYRRHA 系统处在同一量级水平。

在装置的建设过程中，采用了数字化的集中测量控制。整个回路的驱动通过一台格兰富的 TP80-270 进行，并通过采用 4-20mA 信号控制的电动调节阀进行旁路循环，用于与泵协同控制回路流量。用美国 NI 公司的数据采集系统，实现对回路各个开关量，以及涡街流量计、压力传感器等测量装置测得的模拟量进行监测和控制。系统采用了 LabVIEW 编程，实现软件对回路的整体监控，通过对所采集的数据进行适当滤波，将运行数据适当的进行实时反馈，并且通过 PID 闭环控制回路运行。另外，该系统搭建中，考虑了具有通用的通讯接口，可以集成第三方控制系统，如西门子等厂家的 PLC 控制系统，便于与其它系统兼容。

而在流体循环功能方面，上下缓冲水箱的设计是由于回路的工作常常会出现汽液混合流动的状态，通过缓冲箱能够起到缓冲、调节压强，稳定、控制含气量的作用。此外，上水箱同时起到导流稳流的作用，并能够在这一位置加装内部稳流导流结构。靶段采用由有机玻璃加工的可视化部件，前期采用了非扩口锥形靶，随后使用了带有扩口结构的靶段，并由管段连接方法改为了块材加工方法，提高了整体的加工精度并与粒子图像测速仪 PIV(Particle Induced Velocimetry)系统能够更好的结合使用。PIV 系统利用数码相机在短时间内连续捕捉撒布于流场中的示踪粒子的分布状态，测量流场中各区域速度场分布。实验使用美国 TSI 公司的PIV 系统，采用钇铝石榴石激光，单脉冲能量 135mJ，最大工作频率为 15Hz。

这一系统的运行使用了 Fluent 软件的模拟进行预先设计并与实验状态结果对照，在整体回路的层面上对靶回路的整体流动压力损失、靶段压力损失、液面状态进行了模拟与计算方法的比较。由于实验段的运行状态是系统主要关注点，在这一模拟中采用两相流模型，是为了通过三维结构模拟得到在运行条件下系统形成束流耦合界面的状态。从结果来看，回路流动水头损失和界面形成状态都实现了装置的预期目的： 

针对全回路的模拟结果中的压力损失如下，其中的竖管道、横管道由于存在流量计、气泡消除装置而无法精确模拟结构导致存在较大差距，图中计算值根据实验装置的结构通过水力学经验方程计算的得到。 

结果表明，整体回路的运行情况与设计相符，模拟手段能够对于靶段和回路整体的流动行为进行预测。实验与模拟能够作为下一阶段研究的实验条件基础。