我国PANDAX(Particle AND Astrophysical Xenon detector)暗物质直接探测项目已进行过2期实验,目前正在进行3期实验室建设。计划使用20～30吨液氙进行暗物质探测,世界上大型吨级暗物质探测实验之一。氙因为其大的原子质量,放射性同位素少,光信号和电离信号明显等优势,是暗物质探测的良好介质。本文以存储质量为10吨的液氙储罐为研究对象,研究PANDAX暗物质直接探测实验的氙回收存储系统。根据PANDAX实验的需求,设计低温液氙储罐,对低温液氙储罐的静态无损储存过程进行理论计算,并通过SINDA/FLUINT模拟对低温液氙储罐的静态无损储存进行了基于集总参数法的建模与分析。通过液氮工质进行低温储罐日蒸发率实验测试;静置无损存储实验表明,在短时间内,储罐内压力随时间的增加线性增加。仿真结果表明液氙储罐在静置无损存储状态下,静置时间达到365天时,储罐内液氙的温度282.7 K,储罐内压力5.28 MPa,液氙质量5.707 t,液氙体积3.30 m~3。静置过程中,颈管温度高于气氙温度高于液氙温度,最大温度差15 K。随着液氙温度的上升,液氙体积先因为密度的减小膨胀到3.75 m~3,后因为液氙质量的下降而减小。随着储罐内氙的温度上升,漏热量减小,日蒸发量减小。对比有无热延迟时的仿真结果可以看出,不锈钢的热延迟可以延长液氙100天以上的静置时间。根据低温绝热储罐自增压系统的工作原理,利用SINDA/FLUINT模拟软件对低温液氙储罐的自增压系统做了参数化建模,针对不同自增压形式,电加热器功率,仿真分析在自增压的过程中,储罐内的温度和压力变化。随着自增压过程的进行,储罐内的压力波动频率由快变慢,最后逐渐平稳,并趋于0.2 MPa,基本满足液氙输送要求。电加热型自增压系统中,压力增加阶段中,电加热器大部分热作用于液氙体积膨胀,密度下降。气化器热负荷为3000 W的经典自增压系统中,充注率0.338的液氙储罐需0.5小时增压到0.2 MPa,5.3小时内完成输送。经典自增压系统中液氙密度基本不变,液氙输送过程质量流量基本不变。气相温度最后稳定于178 K,液相温度缓慢增加中。阐述了氙回收存储系统子系统的功能和结构,列出控制系统所需的测控设备与仪器列表,基于PANDAX实验的要求设计氙回收存储系统安全运行模式,阐述了氙回收存储系统各运行阶段所实现的功能,计算各运行模式所需时间,冷却功率及氮消耗,为控制系统提供了系统运行的温度、压力和流量等参数,以保障氙回收存储系统运行安全。