Thermal Simulation Studies of a Cyclotron Liquid Target with Thick Niobium Window

Abstract

Os alvos líquidos permitem a produção de radionuclídeos, de forma eficaz e com baixo custo. Recentemente, a sua importância aumentou devido à sua utilização na produção de radiometais. O rendimento de produção de radionuclídeos em alvos líquidos de ciclotrão está diretamente relacionado e limitado pelo desempenho térmico do alvo. Um dos principais problemas associados com a irradiação de alvos líquidos são as altas temperaturas registadas nos diferentes componentes do alvo, o que pode levar à sua degradação. Hélio e água são os responsáveis pelo arrefecimento do alvo e melhorar a sua capacidade de remover calor, irá aumentar a corrente de protões que incide no alvo e, consequentemente, melhorar o rendimento de produção. No entanto, devido à dificuldade em medir as temperaturas dos componentes principais do alvo, nomeadamente na janela e no alvo líquido a ser irradiado, existem poucos dados experimentais disponíveis. Tendo em conta que existem poucos estudos sobre a desempenho térmico dos alvos líquidos, existe a necessidade de estudar os últimos. Esta necessidade ganha importância com a implementação de janelas “grossas” de nióbio na produção de radiometais. Com o intuito de resolver este problema e ganhar um conhecimento profundo do comportamento de alvos líquidos, foram desenvolvidas simulações que combinam a termodinâmica, mecânica de fluidos e física nuclear. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo de simulação capaz de simular o comportamento termodinâmico do alvo líquido de ciclotrão, utilizando as ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e o Método de Elementos Finitos (FEM). A deposição de calor proveniente do feixe de protões foi calculada utilizando o software SRIM. O software ANSYS-CFX foi o escolhido para a realização do estudo da termodinâmica. O modelo desenvolvido permitiu de maneira eficaz simular o comportamento termodinâmico do alvo líquido. Este foi utilizado para estudar os parâmetros preponderantes capazes de influenciar o desempenho térmico do alvo. A validação do modelo foi realizada através da comparação dos resultados obtidos com medições experimentais da temperatura da água de arrefecimento. Foi observado que a temperatura da janela e do alvo líquido são influenciadas de forma significativa pelo caudal da água de arrefecimento e do hélio. Portanto, a otimização destes parâmetros irá melhorar a capacidade de remover calor. No entanto, as temperaturas iniciais do hélio e da água de arrefecimento apresentam um efeito pequeno sobre as distribuições de temperaturas dos diferentes componentes do alvo.

Liquid targets prove to be reliable and cost-effective on the radionuclide production. More recently, the interest on these targets increased due to its use for the radiometals production. The production yield of radioisotopes of cyclotron liquid targets is correlated and limited by the target thermal performance. High temperature increments of the target components during irradiation, resulting in their degradation, is one of the main observed problems. Helium and water are responsible for cooling the target, thus, improving its capacity to remove heat from the target system would lead to increase the proton current reaching the target and, consequently, improve the production yield. However, empirical data is almost non-existent due to the difficulty to measure the temperature of critical components of the target system, namely the target window and liquid target to be irradiated. Considering that few studies related with the thermal behaviour of liquid targets have been carried, there is a great need to study the liquid target system. This need becomes of greater importance due to the recent thick niobium windows implemented on radiometals production. To address this problem, thermal simulations combining fluid, nuclear and thermal physics were implemented to a better knowledge of the liquid target behaviour.The aim of this work was to develop a Computation Fluid Dynamics (CFD) simulation model relying on Finite Element Methods (FEM), capable of simulating the thermal behaviour of a cyclotron liquid target. The heat deposition from a proton beam was calculated using the SRIM software. The software selected for the study of thermal physics was ANSYS-CFX. In this work, a model that can simulate the thermodynamic behaviour of a liquid target was successfully conceived. The simulation model was used to study the main parameters that could influence the target thermal performance. The model was validated, comparing the obtained results with target cooling water temperatures measured experimentally. It was observed that the cooling water and helium mass flow rate strongly influence the temperatures of the window and liquid target. Thus, improving these parameters will lead to an improvement of the capacity to remove heat. On the other hand, inlet temperatures of the cooling water and helium proved to have a small effect on the temperature distributions.