聚变堆高温强磁场液态金属流动传热与传质研究

发布时间：2020-05-26 00:49

【摘要】：液态金属包层是聚变堆示范包层的主要候选包层之一,液态金属包层中的导电流体在聚变堆强磁场环境下会出现磁流体动力学(MHD)效应。MHD效应不仅增加了包层管道中的压降,也改变了液态金属在包层中的速度与温度分布,影响了氚在包层中的输运。论文在充分调研国内外聚变堆高温强磁场环境下液态金属MHD数值模拟程序现状的基础上,进一步发展了液态金属MHD流动传热问题的数值模拟程序,并用标准算例进行了验证。论文中的MHD数值模拟程序采用电势方法求解液态金属中的感应电流,利用相容守恒格式与投影算法,最终获得包层管道中的液态金属流动速度与压力分布。基于计算机共享内存系统,程序设计过程中采用了 OpenMP并行编程标准,在程序运行过程中实现了并行计算,加速了数值计算过程的收敛。数值模拟程序的计算结果分别采用Hunt's算例与Shercliff's算例进行了验证,结果表明压力梯度与速度分布与理论解符合得很好,可以作为聚变堆包层设计过程中的重要分析工具。通过MHD数值模拟程序获得液态金属包层管道中流场分布后,使用有限体积法求解能量方程。求解过程采用QUICK格式离散对流项,并利用块修正技术将边界影响传递到管道内部,加快了数值模拟过程的收敛。从数值计算结果可以看出,管道侧壁的剪切流动显著提高了侧壁附近液态金属的传热能力。聚变堆实际工况下,温度对液态金属的粘性系数产生了很大影响,进而影响到流动和传热状况。论文通过将动量方程和能量方程耦合求解,计算了温度影响下的液态金属管道中的MHD流动与传热分布。结果表明,侧壁附近的液态金属流动速度将会减慢,并削弱了导电流体的传热能力,导致侧壁附近液态金属的温度高于粘性系数不改变时的情况。同时,论文以DCLL包层为例,通过数值求解氚在液态金属包层中的质量传输方程,获得了 Hunt's算例中的氚浓度分布,并对氚在包层中的输运过程进行了分析,对于开展液态金属包层中的氚浓度分析有着很好的应用价值。为获取高压氦气对液态金属包层结构的传热性能参数,并验证MHD数值模拟程序计算结果的正确性,论文设计建造了高压氦气/液态铅锂MHD换热与传质回路实验系统。高压氦气系统由氦气瓶供气,通过压缩机、储存罐与缓冲罐的共同作用,实现了氦气的循环利用与闭环控制。液态铅锂回路为实验系统的试验段,论文给出了回路的设计方案,介绍了其中的主要设备与测量技术,为下一步开展液态铅锂MHD换热与传质实验建立了基础。
【图文】：

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按照反应方式不同，核能利用方式分为裂变反应和聚变反应。裂变反逡逑应是将一个原子核分裂成两个或更多部分的过程。聚变反应过程与裂变反应正逡逑好相反，是由较轻的原子核（如氘、氚等）结合成一个较重原子核的过程（图１．１）。逡逑实现聚变反应并能够稳定地输出能量的装置称为聚变反应堆（聚变堆）。太阳就逡逑可以看成是一个巨大的聚变反应堆，通过内部持续不断的聚变反应不断向外辐逡逑射着能量，给地球带来了大量的光和热。单位质量的聚变反应燃料比裂变反应燃逡逑料能够释放出更多能量，并且聚变燃料在地球上储量非常丰富，如果能够实现高逡逑温条件下的可控聚变反应，并将释放的能量用于生产生活，不仅能够解决能源问逡逑题，也是当今自然科学界面临的一项具有重大意义的研宄课题。逡逑现在实验室中可以实现的聚变反应主要包括：逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ＾邋Ｈｅ３＋邋ｎ邋＋邋３．３１ＭｅＶ逦（１．１）逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ＾Ｔ邋＋邋Ｈｌ＋邋Ａ．ＱＡＭｅＶ逦（１．２）逡逑１逡逑

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因此在地球上含量极少。在氢的天然同位素中，l#的丰度仅为ｌｘｌ0－１６，全球共逡逑计约２ｋｇ。而要实现聚变反应的持续进行，必须保证氚在聚变反应过程中能够自逡逑给自足（氚自持）。这一过程主要是由聚变堆包层完成的。图１．３为ＩＴＥＲ水冷屏蔽逡逑包层的结构示意图，该包层由多个环绕着真空室的模块组成，其中设计了３个窗逡逑口共６个模块用于测试验证包层氚增殖性能和核热排出能力。氚增殖材料主要逡逑有锂陶瓷球和液态金属铅锂，聚变反应产生的高能中子在包层中与锂发生反应逡逑生成氚（ｈ６邋＋邋／ｉ－＞Ｈｅ４邋＋邋ｒ），同时在减速过程中将中子的动能转化为热能，被冷逡逑却剂收集后加以利用。除此之外，在磁约束聚变堆中，，包层还起着辐射屏蔽的作逡逑用，以保护超导磁体免受聚变反应产生的高能中子和射线的辐照损伤。逡逑随着聚变堆技术的发展，世界各国提出了多种不同的聚变堆示范（ＤＥＭＯ）逡逑包层设计方案。其中，按照氚增殖剂形态的不同可以把包层分为固态包层和液逡逑态包层。在固态包层概念设计中
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL64

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