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。