加速器驱动的次临界系统（ADS）是目前科学界认为可以用来有效嬗变
核废料并产生能源的核装置，是目前各科技强国纷纷投入重大人力物力研究
的前沿热点。散裂靶作为 ADS 三大关键组件之一，主要用于产生能谱宽通量
大的中子，以驱动次临界反应堆进行核嬗变，具有重要的作用。本工作针对
中国科学院近代物理研究所提出的一种重力驱动的密集颗粒流靶设计中涉及
到的颗粒流动相关问题进行了研究。
重力驱动的密集颗粒流靶与以往的固态靶和液态靶相比，在功率方面、
运行可靠性、稳定性以及放射化学毒性方面存在一定优势。首先，靶材料为
颗粒，相比于液态靶（温度限制：液态靶需要材料具有较低的熔点）而言，可
选材料范围大大增加。而颗粒相对于固体而言，由于其具有流动性，可以实
现靶区内发生散裂反应，并在靶区外进行线下换热，增加了靶所能承受的最
高功率上限。颗粒的流动相对于液态金属而言，不存在回流区且流动稳定性
良好，因此颗粒靶在安全运行方面可靠性更高。
对于在未来样机中即将建设的颗粒靶，其中关于颗粒流动的研究是非常
关键的课题。关于颗粒流动，漏斗流量和自由面的稳定性是其中需要研究的
重点。全文关于以上研究的安排如下：
第一章主要介绍 ADS 及散裂靶的发展现状，颗粒靶提出的背景。具体包
括：1）各国对发展 ADS 提出的各项研究计划以及目前的研究现状，存在的
问题以及应对方案；2）散裂靶目前的发展状况，主要的靶型以及各靶型的优
缺点，存在的问题及相应的解决方法；颗粒流靶方案的优点所在；3）关于颗
粒靶中漏斗流流量研究的现状；4）液态金属靶中存在的自由面的研究现状。
 
第二章主要介绍本文研究中所使用的方法和工具。离散元方法（DEM）
在颗粒模拟中非常常用，第一节介绍 DEM 的发展历史，简单介绍软球模型和
硬球模型的特点。第二节重点介绍软球模型的基本原理及其从程序方面实现的方法。第三节介绍为了验证模拟结果而搭建的颗粒物理实验平台。
第三章主要介绍漏斗中存在束流管道时几何参数对流量的影响。主要介
绍 1）一定参数的模拟条件下，几何参数束流管道下端到漏斗口距离 H0、束
流管道直径 D1、漏斗直径 D 和漏斗口 D0 对流量的影响；同时探索了颗粒与
颗粒之间摩擦系数 、颗粒与漏斗壁摩擦系数 、颗粒材料样式模量 E、
密度 ρ 和恢复系数 e 等材料参数对流量的影响；2）通过实验验证上述几何参
数对流量影响规律的正确性； 3）由于磨损在颗粒系统中不可避免，因此着
重研究了磨损后开口的几何形状对流量的影响。
第四章主要研究束流管下自由面的形态及稳定性。1）通过模拟结果确定
自由面的形状，给出了不同条件下自由面形状的拟合公式；2）刻画了自由面
的形成和发展状态； 3）分析了自由面的波动情况，对稳定性做了一定的分析；
4）通过实验初步验证了模拟工作的正确性。5）自由面上颗粒在束流下停留
时间的计算模型。
第五章是本论文所有相关工作的总结以及对未来工作的展望。