螺旋流道液态第一壁流动稳定性分析

发布时间：2020-06-30 12:01

【摘要】：包层是导出聚变堆产生热能的重要部件,并且需要实现氚自持与辐射屏蔽等功能。第一壁结构直接面对等离子体,受到强烈的辐射热流与高能中子辐照和离子辐照,其热工结构性能受到极大挑战,制约结构材料使用寿命。液态第一壁包层采用流动的液态金属作为可不断更新的辐射热流耐受材料,消除了第一壁结构材料的损伤和使用寿命问题。目前液态第一壁流动稳定性控制是制约其可行性的关键问题。液态金属自由表面流在聚变堆的强磁场作用下受到磁流体动力学(MagnetoHydroDynamics, MHD)效应的作用,会导致液态金属流动阻力增大、流场变得更加复杂,可能造成液态金属飞溅,进而导致等离子体破灭。所以的磁流体流动稳定性是制约液态第一壁可行性的关键问题。本文针对液态第一壁流动的稳定性问题,基于包层服役的多物理场工况,对比分析现有液态第一壁概念的结构特征、控制特点、热工以及中子学性能等因素的基础上,创新的提出了螺旋流道液态第一壁方案。该方案的流道沿背壁呈螺旋型下降,螺旋流道方向与螺旋磁场方向相同,液态金属从真空室上方沿磁场方向喷入螺旋型流道,在重力和离心力作用下的螺旋流道流体流动分流道内的主流区和流道外侧自由表面流动薄层,主流区的液态金属沿螺旋向下的流道流动,可有效减小MHD效应。螺旋流道外侧自由表面流动薄层,具有较大的向下速度,可快速流出堆芯,避免表面温度过高引起过量蒸发；内侧大部分液态金属沿螺旋向下的流道流动,与磁场方向相同,可有效减小MHD效应。本文针对液态第一壁在强磁场环境下自由表面流动的特点,通过商用计算流体力学软件FLUENT所携带的MHD模块,利用VOF (Volume of Fluid)模型对本设计所形成的液态金属双层流动稳定性进行了分析验证。液态壁自由表面的波动状态和液态金属的流场分布结果显示液态金属完整覆盖了螺旋流道和背壁结构,流道内液态金属受到Lorentz阻力维持在0.31Mpa以下,没有出现从真空室顶部直接滴落或倾泻而下的情况,验证了方案的流动稳定性。在FDS-Ⅱ聚变堆运行条件下,螺旋流道液态第一壁设计具有良好的中子屏蔽性能和氚增殖性能,三维中子学初步分析结果显示该液态第一壁方案氚增殖达到1.63,背壁材料满功率运行10年的辐照损伤为22.5DPA,低于未来聚变示范堆(DEMO)材料损伤限值(150-200DPA)。同时,计算结果显示在真空室上部,液态金属中有空穴形成,影响流动稳定。通过减小入口处流道宽度,增加流道数量,对入口处流道结构进行优化,成功减小了入口处所形成的空腔。这些结果可以对液态第一壁的流动稳定性的深入研究和进一步优化设计提供重要参考。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL64

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本文编号：2735281