中子源对材料科学、核能工程的发展有着重要的影响。不同的应用对中子
源有着不同的要求。加速器驱动的次临界系统（ADS, Accelerator Driven
Sub-critical system）作为未来核乏燃料处理最有效的手段之一，其主要靠散裂中
子源为其提供外源中子，而它对散裂中子源提出了新的要求；核聚变能作为最清
洁、最高效的能源被认为是人类发展的终极能源，核聚变发展中结构材料等的检
测研究需要中子辐照环境，而加速器中子源是最好的选择，作为聚变中子辐照用
中子源，其对靶系统提出了更高的要求；为了应对 ADS 散裂中子源以及聚变材
料辐照中子源中靶系统面临的新问题，结合已有的固体靶以及液体靶设计经验，
我们的研究团队提出了密集流颗粒靶，其相比固体靶和液体靶在热移除性能、流
动稳定性、结构材料腐蚀、靶材料泄漏等方面都具有相应的优势。作为一种新型
的中子源靶设计，其带了很多优势的同时，也存在几个问题：堵塞、耦合、磨损。
本文针对密集颗粒流靶中出现的堵塞、束靶耦合、壁面磨损等工程科学问题，进
行了初步的物理分析。
颗粒流靶系统中颗粒堵塞问题是颗粒流靶设计中的关键问题之一，靶区颗粒
堵塞会造成持续性束流能量沉积导致靶材熔化毁坏的重大事故。所以研究颗粒在
靶区的流动堵塞行为对于散裂靶运行安全是十分重要的。颗粒物质与液体、气体
等流体物质最大的区别在于其颗粒承受一定的前切力，所以在特定的外界条件下
可以表现出固态、液态甚至气态等不同的性质。密集颗粒流靶设计中颗粒是在重
力驱动下流动的，但是由于靶型、靶区状态等影响，其发生堵塞的可能性是存在
的。文中，我们通过离散元数值方法，对不同靶型中颗粒流动堵塞行为进行了详
细的研究，发现对于漏斗开口尺寸和漏斗锥角而言，均存在一个临界值使得系统
不发生堵塞；对于坍塌规模，发现峰值左边呈现幂函数上升形式，峰值右边呈现
指数衰减趋势，与前人的研究结果一致。
束流-颗粒流靶耦合也是颗粒流靶系统中关键问题之一。颗粒流靶因其自身
优点而作为新的 ADS 散裂靶候选方案。但是提出来的只是概念设计，验证这种
靶型的可行性是十分必要的，尤其颗粒流靶-束流耦合的可行性是关键。文中报
道了第一台束靶耦合验证实验系统，详细介绍了耦合实验装置的关键组成部件，同时报道了电子束流耦合实验结果。结果显示目前耦合靶段的几何设计是可行
的，靶段耦合区颗粒流动稳定，颗粒近乎密堆积流动，符合预期结果。束流辐照
实验显示，静态辐照时，颗粒会迅速升温，在当前束流条件下最高温度可达500℃；
动态束流耦合实验结果显示，流化的颗粒确实能保证束流耦合区颗粒温度降低，
动态实验中颗粒最高温升约 7℃，验证了流动的密集颗粒作为热移除介质的可行
性；通过离散元方法对相同靶型进行了数值研究，颗粒流量、靶区堆积率都与实
验相符合；同时发展了颗粒间接触传热模型，应用于离散元方法中，模拟了束流
加载情况下，颗粒温度分布情况；
颗粒流靶系统中遇到的另一问题是：颗粒流动过程对系统结构件壁面的磨
损。壁面磨损情况是系统运行寿命及结构成本的决定性因素，了解颗粒对壁面
的磨损过程对颗粒流靶十分重要。文中通过开发的 PIC 颗粒流程序，在颗粒-壁
面磨损是由颗粒对壁面碰撞导致的假设前提下，建立了简单的碰撞磨损模型，
并应用于 PIC 程序中。通过该程序模拟研究了不同颗粒、壁面参数（主要通过碰
撞角权重函数、颗粒-壁面碰撞动量恢复系数体现）对不同结构的漏斗靶的磨损
情况，同时简单分析了稀疏相颗粒对弯管的碰撞磨损情况。对锥角为 30°和
45°两种靶型模拟结果显示，同样条件下，锥角大的靶型磨损比锥角小的靶型要
大，对于同种靶型，底部锥形壁面的磨损要比圆柱壁面的磨损要大；两种靶型中，
磨损最严重的都在漏斗出口边缘；
加速器驱动先进核能系统（Accelerator Driven Advanced Nuclear System,
ADANES）中提出干式贫富稀土相分离思路，其对未来 ADS 先进核能系统具有
重要意义。文中采用射流分级技术，对不同粉末进行了分级分离实验研究，研究
发现射流分级技术可以很好的实现大颗粒（粗粉）去除，可以实现粉末颗粒粒径
分级分离；应用多相流方法进行了射流分级模拟分析，针对实验中射流分级机关
键部件进行了模拟研究，模拟结果显示射流分级机可以实现粉末粒径分级分离，
并注意到密度对分级效果有影响。