简化理论研究液态包层通道插件流体MHD效应

基于先前的普通管道中的MHD效应的实验结果和质量守恒定律(或液态流体不可压缩原理)、洛仑磁力定律和电荷守恒定律,再利用有源网络等效方法,发展出一种简化而有效的分析带通道插件(FCI)管道的磁流体动力学(MHD)效应的方法。简化理论预测结果表明:采用FCI可有效地降低MHD压降;FCI的电导率存在一个临界值时,当大于这个值时,中心区流速将小于边界区流速;管道结构、FCI电导率、液态金属种类等存在着一个最佳组合参数,能最有效地减少MHD压降。

聚变制氢堆高温液态包层热工水力学新概念研究

在深入分析聚变堆包层设计要求和目前技术发展水平的基础上,根据热化学工艺制氢需要高温热的要求,提出了一个基于技术相对成熟的低活化铁素体/马氏体钢作为主要结构材料、高压氦气与液态LiPb合金作为冷却剂、具有创新性“多层流道插件”结构方案以获得高温热能的包层热工水力学概念,建立了热工水力学模型,在利用有限元数值模拟程序进行模拟计算的基础上分析了这种新概念包层的可行性。

聚变堆液态包层准二维磁流体湍流模型研究

为研究聚变堆氚增殖包层中液态金属湍流磁流体动力学(MHD)效应,开发了一种新的准二维单方程MHD湍流模型,并进行了相关数值模拟程序的编制及验证。对于矩形管道中的准二维MHD湍流流动,三维流动主要发生在哈德曼层中,中心的主流区呈现出二维流动。为了反映这种特殊的流动特征,新湍流模型在标准k-ε模型的基础之上去掉了传统的耗散项,代之以电磁耗散项来模拟湍流MHD效应。同时,采用Bradshaw假设来对湍流涡粘系数进行模化。为验证该湍流模型是否合理,编制了相关数值模拟程序,并利用直接数值模拟(DNS)结果对该程序进行了校正,数值模拟结果与DNS结果吻合较好。计算结果表明,该湍流模型可应用于聚变堆液态包层MHD湍流流动的数值模拟。

聚变堆液态包层增殖区铅锂与氦气多流场耦合换热特性研究

采用三维计算流体动力学(CFD)方法对聚变堆液态包层增殖区高温液态铅锂与结构内高压氦气耦合换热进行数值模拟。建立了充放式高压氦气回路和换热实验段,开展了包层典型工况下液态铅锂与氦气多流场耦合换热对比实验验证。研究了氦气压力和增殖区铅锂入口温度、核热功率密度变化时的流动与传热特性及其影响规律,获得了氦气与RAFM钢壁面、液态铅锂与RAFM钢壁面之间的换热系数和换热关联式,为液态包层的设计研发提供了参考依据。

中国液态锂铅包层材料研究进展

液态锂铅包层是国际上普遍关注和最有发展潜力的聚变堆包层概念设计之一,而包层材料是液态锂铅包层的核心问题之一.目前,液态锂铅包层普遍选用低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)作为结构材料,液态锂铅作为中子倍增剂及氚增殖剂.另外,部分设计采用了耐高温、电绝缘流道插件作为功能材料,以降低磁流体动力学效应及提高冷却剂出口温度(高于700℃).为适应液态包层的发展需求,中国科学院等离子体物理研究所FDS团队联合国内外相关研究单位,进行了具有中国自主知识产权的中国低活化马氏体钢(CLAM钢)及液态锂铅包层功能材料研发,并开展了锂铅热对流及强迫对流回路的设计、研制及腐蚀实验研究,以研究液态金属锂铅的流动特性及其与结构和功能材料的相容性.同时建立了聚变堆材料数据库平台,为促进中国聚变堆液态包层及材料技术的研究和发展提供数据支持.

液态金属包层中氚提取技术的研究进展

为了完成ITER液态金属包层氚提取系统（TES）的设计，针对液态包层材料——液态锂、液态锂铅、盐溶液和氟化物盐中提取氚的方法进行了调研。调研结果表明：钇粒子床法和溶盐萃取法适用于液态锂中氚的提取；膜渗透法、鼓泡器法和钠回路附设冷阱法对液态锂铅中的氚提取是很有希望的，尽管氚扩散通过锂铅合金边界层的速率缓慢，增大了氚提取的技术难度，但鼓泡器法具有更高的气一液间接触面积，自90年代以来技术发展最为成熟；氦气清洗和真空萃取法已成功运用于氟化物盐包层中氚的提取。尽管任何一种氚提取方法都有工程化的现实前景，但为解决氚提取系统中杂质影响和各种相互作用的问题，开展材料和基础化学方面的广泛研究是必要的。

双功能液态锂铅包层氚增殖性能分析

双功能液态锂铅(DFLL)包层作为一种高性能的产氚包层,是中国聚变工程实验堆(CFETR)的候选包层之一。氚增殖比(TBR)是产氚包层核心设计参数之一,是评估聚变堆氚自持性能的重要指标,有必要对其进行详细分析。本文介绍了DFLL包层氚增殖性能数值分析与实验验证工作。其中数值分析采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC建立了全堆三维中子学模型,计算分析了包层不同位置处的TBR值,并对影响包层氚增殖性能的相关因素,如第一壁材料、钨护甲、包层增殖区厚度、6 Li富集度等进行了敏感性分析及参数优化;实验验证工作利用强流聚变中子源HINEG,开展了DFLL中子学实验模块不同位置产氚率(TPR)测量。研究结果显示,经过优化的DFLL包层TBR设计参数可达到1.208,满足CFETR第一阶段的氚自持要求;实验结果与理论计算结果的最大偏差为8%以内符合,实验结果的测量不确定度在2σ内优于9.8%。

破口条件下高压氦气冲击液态铅锂压力传播实验分析

液态铅锂包层被认为是最有发展潜力的包层设计之一,由于其面临高能中子辐照、高热负载、高压力梯度等严苛的服役环境,在包层发生内破口事故时保证其在高压氦气冲击下的完整性以避免放射性物质外泄具有重要意义。为获得高压氦气冲击铅锂所形成冲击波的压力传播规律,本文基于液态重金属安全回路KYLIN-S实验平台,先后开展了高压氦气冲入水的测试实验和高压氦气注入高温铅锂的破口实验。研究表明,高压氦气(8 MPa)冲击铅锂现象可以分为两个阶段,第一阶段为冲击波快速震荡叠加阶段,该阶段持续时间很短约0.064 s,形成的冲击波产生多个压力波峰,压力峰值最高达到6.42 MPa,压力震荡经过3~6个周期后,不同监测点的压力波动快速耗散消失。第二阶段为压力稳定增长阶段,该阶段持续时间约为3.5 s,压力持续增加直至实验系统压力达到平衡,系统平衡压力达到3.45 MPa。

中国系列液态锂铅实验回路设计与研发进展

锂铅实验回路是聚变堆液态锂铅包层关键技术研究必备实验平台之一。结合液态金属锂铅包层技术发展战略建议,FDS团队多年来不断开展液态锂铅实验回路技术研究,设计并建造了具有自主知识产权和具有不同功能参数的DRAGON系列锂铅实验回路。本文阐述了中国锂铅实验回路的发展路线建议,系统介绍了目前各实验回路的设计原则、结构特点、功能和相关实验研究进展等情况。

聚变堆增殖包层概念特征比较研究

在广泛调研国际上现有的聚变堆包层概念的基础上,对聚变堆包层的发展现状和需要解决的关键问题进行了总结。从工程可行性、氚增殖提取与控制特征、经济性以及安全和环境影响方面对固态和液态氚增殖剂包层进行了比较分析,系统阐述了各种包层概念的优缺点,从现实可行性与发展潜力方面为未来聚变堆包层概念发展提出建议。

聚变高温制氢反应堆锂铅包层结构力学分析

在高温液态锂铅包层结构设计、热工水力学设计和中子学计算基础上,建立包层的三维有限元分析模型,应用商用有限元软件ANSYS对高温液态包层进行热-力结构耦合分析与应力评定。经计算第一壁材料ODS RAFM钢最高温度635℃,最大Von Mises应力379 MPa;包层结构材料RAFM钢最高温度508℃,最大Von Mises应力175 MPa;FCI材料最高温度950℃,最大Von Mises应力218 MPa。初步的分析结果表明结构设计方案是合理、可行的。

氘饱和状态下的液态锂表面的溅射问题

分析了氘饱和状态下液态锂作为包层流动液帘表面的溅射问题,得到了氘饱和状态下液态和固态锂的溅射产额。结果表明:溅射出来的液态锂原子大部分都是离子状态,它们很快被磁力线带到偏滤器靶板,因而大部分不能进入芯部等离子体。

磁场作用下U形流道中液态金属流动的数值模拟

磁流体动力学效应在聚变堆液态金属包层的设计研究中起着重要作用。本文基于相容守恒格式对U形流道中液态金属流动的磁流体动力学效应进行了模拟。模拟结果表明,对于较短且与磁场相垂直的径向部分流道,会在侧层中形成一个极大速度的射流,该射流会在U形流道的拐角处逐渐变小。径向部分中同样存在一个极薄的哈特曼层,该层垂直于磁场,在其中,流速从中心区域平均流速急剧衰减为零(无滑移边界条件)。而哈特曼层在环向部分流道中完全消失。模拟表明流动从径向部分到环向部分发生了剧烈的变化,并且在环向部分流道中有螺旋状上升流动产生。

中国双功能铅锂实验包层系统In-box LOCA事故瞬态压力传播特征分析

中国双功能铅锂实验包层系统(CN DFLL TBS)发生氦气—铅锂流道间破口(In-box LOCA)事故时,8 MPa高压氦气喷向低压铅锂增殖区,高压以压力波形式从包层模块(TBM)的铅锂增殖区传播到铅锂辅助系统(LLAS),造成系统超压,威胁包层安全。本文采用RELAP5/MOD4.0软件对DFLL包层系统进行建模,开展了破口事故下的系统瞬态压力传播分析,对破口位置、面积、爆破阀起爆压力等重要参数进行敏感性分析。分析表明:不同位置破口事故下,包层压力入口最高可达16.68 MPa,包层出口处最高可达13.92 MPa;单根与10根传热管破裂事故,包层出入口压力分别增加0.97 MPa、1.68 MPa;为降低包层内部的压力峰值,可在包层模块进出口管道设置体积不小于1.2×10^(-2) m^3稳压装置。通过将铅锂辅助系统的关键部件布置在稳压装置附近,可有效保护其不超出其压力限值。

中国液态锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ磁流体动力学直管实验段数值分析

基于液态锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ即将开展的磁流体动力学(MHD)实验是分析聚变堆包层中液态金属在强磁场环境下流动特性的重要途径,实验段物理量的准确模拟能够为实验段的设计优化以及速度、压力等的测量方式提供参考和依据,保证实验的顺利完成。本文采用一种电流守恒格式及相容的Projection方法模拟高哈特曼数(Ha)下的MHD流动,在对算法进行校验的基础上,对上述实验段在梯度磁场以及均匀磁场下的磁流体动力学效应进行了数值分析,探讨了感应电流产生的洛伦兹力对速度场、压力场的影响。

聚变堆液态金属锂铅实验回路温度测量与控制方法探索

液态金属锂铅实验回路是研究聚变堆液态金属包层技术独一无二的实验平台.为了探索锂铅回路高温锂铅温度测量与控制方法,对316L不锈钢管道进行加热,并设计了其温度控制系统,以测试K型铠装热电偶不同工作端形式的测温效果.发现同一截面处露端式热电偶温度测量比接壳式(或绝缘式)更接近于实验设定温度,其温度曲度波动小.因此采用露端式热电偶测温方法及加热温控和数据采集系统应用于中国第一个热对流锂铅实验回路DRAGON-I,其温度测量和控制系统完全满足锂铅回路的要求.

通道插件管道MHD效应初步实验结果

给出了通道插件管道MHD效应的初步实验结果,结果表明:中心区流速分布与数值预测的差别较大,且不同位置的管道截面流速分布不同,在压力平衡孔之间呈周期性变化;宏观的中心区与边缘区流量分配、MHD压降与简化理论预测结果相接近。这些数据将给FCI管道数值分析模型的完善和液态包层设计提供参考。

FCI结构及其电导率对MHD效应影响实验研究

实验研究了通道插件(FCI)压力平衡孔(PEH)和压力平衡狭缝(PES)结构、绝缘和非绝缘材质对磁流体动力学(MHD)效应的影响,结果表明:带PEH或PES、绝缘或非绝缘材质的FCI产生的流速分布有很大的差异;对MHD压降而言,FCI结构PEHs或PES差异的影响大于FCI绝缘或非绝缘材质差异引起的影响;对流速分布而则刚好相反。二次流引起的局部流速骤增的MHD效应(简称为S-MHD效应)对控制管道内流速分布和降低MHD压降有作用,这些实验结果为弄清FCI的MHD效应机制和液态金属包层设计提供了实验认知与有价值的参考。

磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学研究

简述了磁约束热核聚变反应堆关键能量转换部件包层相关的流体力学及传热学研究背景,重点介绍了强磁场作用下的金属流体流动与传热问题的实验及数值研究进展.

不锈钢基体上制备Al_2O_3涂层的研究

在核反应堆液态Li-Pb包层中,涂层的研究和发展是重要的内容。由于Al2O3涂层高电阻率的特性及与液态Li-Pb有良好的兼容性,所以成为陶瓷涂层中的最佳候选材料之一。采用射频磁控溅射法,在奥氏体不锈钢基体上制备了Al2O3涂层,并且研究了分别于800和1000℃进行热处理时温度对涂层的相组成、表面形貌、界面组织及绝缘电阻率的影响。结果表明,Al2O3涂层组织致密、均匀。经1000℃热处理后主要组成相为具有高温热稳定性能的α-Al2O3和少量的γ-Al2O3。不锈钢基体与Al2O3涂层层间界面结合良好可能是由于经退火处理后出现新生FeAl相,提高了涂层与基体的结合强度;涂层电阻率在1×1012～1×1014Ω·cm,绝缘性能良好。