方管内液态铅锂流动MHD压降初步测量与分析

磁流体动力学(MHD)实验是研究聚变堆包层内液态铅锂在强磁场环境下流动特性的重要方法。本文基于中国多功能液态铅锂实验回路DRAGON-IV开展方管MHD压降测量实验,在磁场强度为1.88T和最大铅锂流量为0.36m~3/h时,方管实验段均匀磁场区压降为13.27kPa,与理论值偏差为2.30kPa,并对导致实验误差的因素进行了分析。     

中国液态锂铅热对流实验回路DRAGON-Ⅰ温度场和速度场数值模拟分析

锂铅实验回路是研究聚变堆液态金属锂铅包层关键科学技术问题的必备装置,其锂铅温度场和速度场分布对分析相关实验结果是必需的。DRAGON-I是中国第一座热对流锂铅实验回路,采用FLU-ENT软件对该回路中液态锂铅的温度场和速度场进行了二维和三维模拟分析。结果表明:回路内锂铅温度场分布符合回路设计时的温度变化要求,并在回路管径截面上变化很小;锂铅速度除了在回路上端两个直拐角处波动较大外,其余管道直段波动非常小,平均速度约0.14 m/s。     

中国液态金属锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ MHD实验段设计与分析

锂铅实验回路是研究液态金属锂铅包层关键技术问题的必备装置,MHD(Magneto Hydro Dynamic)实验是探究液态金属在聚变强磁场环境下流动特性的重要环节.本文结合聚变堆锂铅包层设计特点和实际的工程可行性,设计了中国高温多功能液态金属锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ中的MHD实验段.初步结果表明MHD实验段设计方案的合理性,能够满足回路的设计原则和要求.     

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.     

高温包层内多层插件流道内液态铅锂MHD流动数值分析

包层是聚变反应堆能量转换和提取的关键部件,聚变高温制氢堆(FDS-Ⅲ)高温液态铅锂包层(HTL)中采用创新型多层插件(MFCI)技术,由SiC_f/SiC组成的流道插件使液态铅锂实现了1 000℃左右出口温度,从而达到更高的热电转换效率和制氢能力。液态金属磁流体动力学效应MHD效应是HTL包层的重点问题之一。本文以高温包层结构为参考,采用FDS团队自主开发的磁流体动力学与热工水力学耦合模拟软件MTC,对高哈特曼数下典型多层插件流道内的液态铅锂MHD流动特性进行了数值模拟,分析了不同插件电导率对流道之间电磁耦合现象的影响。     

ITER中国液态锂铅实验包层模块液态金属流动MHD效应数值模拟

为研究国际热核聚变实验堆(ITER)的中国双功能锂铅实验包层模块(DFLL-TBM)中液态金属磁流体动力学(MHD)效应,对在强磁场环境下磁流体动力学效应对液态金属LiPb流动和传热的影响进行数值模拟和分析.主要包括三部分:(1) 建立模拟液态金属磁流体的磁感应方程数学模型和程序简介;(2) 对液态LiPb MHD流体在全模块内流动的数值模拟,给出了速度场和压力场分布,重点考察和分析局部的流动特点和对传热的影响;(3) LiPb在进口供给联箱内的流场的数值模拟,对供给联箱的分流作用给出了初步的估算和评价.     

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.     

铅基反应堆严重事故下燃料迁徙行为机理实验研究

在铅基反应堆严重事故中，燃料颗粒在堆内迁徙过程中可能导致堆芯堵塞，存在重返临界的风险。为了获得液态铅铋合金（LBE）夹带金属颗粒的流动迁徙行为特性，本研究设计了石英玻璃可视化实验段，搭建了液态LBE夹带颗粒流动凝固行为可视化实验装置Eirene，开展了LBE在圆形通道内的流动凝固实验和LBE夹带不锈钢颗粒的流动凝固实验，获得了液态LBE流动凝固动态特性的影像数据、LBE进出口温度和管壁温度数据。由实验结果可知，颗粒球床的存在会严重阻碍LBE在玻璃管内的流动，且在球床密集区域极易形成凝固堵塞，大量颗粒停留在实验段中段，由外至内逐步形成堵塞。实验结果可为铅基反应堆严重事故分析模型验证提供支持。     

ITER中国液态锂铅实验包层模块设计研究与实验策略

在广泛调研和深入分析国际聚变堆包层发展状况的基础上,根据液态锂铅包层一般特点和中国发展的系列液态锂铅包层概念设计,提出了一个具有演示氦气单冷却剂和氦气/锂铅双冷却剂包层技术的双功能包层模块实验系统方案,对其性能进行了分析研究,作为中国向ITER实验包层工作组(TBWG)提交的液态包层实验模块最终设计描述文件的内容框架。总结了该工作主要内容,包括基本设计思想和方案描述、性能分析概况、对辅助系统的要求和实验策略与关键技术等。     

液态锂铅合金的氚释放行为

为了完成聚变堆液态锂铅包层鼓泡提氚系统的工程设计和建造,以金属与氢的作用理论为基础,建立了氚从液态锂铅中的动力学释放行为的数学模型.计算和分析了温度、饱和器氚分压、氦流量对解吸器顶部气相中的氚分压的影响以及氚在液态锂铅中的传质系数、解吸率和吸附率.结果表明:在633～723 K的解吸温度范围内,氚从液态锂铅到气相的整个释放过程虽然包含了氚在熔融合金气泡中的扩散与对流、氚通过与气-液界面相连合金层的扩散、在界而发生的氚原子重组多相反应、氚通过气相边界层的扩散和气相中氚的扩散与对流5个子过程,但起决定作用的是氚在合金内的扩散和气.液界面的多相反应重组,其他子过程意义不大.     

环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究,得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响,并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明：采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速;相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数;液态铅铋合金对流换热过程中,导热项占主导地位,并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。     

基于RELAP5的双功能液态锂铅实验包层模块安全分析

利用嵌入了液态锂铅（LiPb）的热工水力子模块的系统程序RELAP5/MOD3,对双功能液态锂铅（DFLL）实验包层模块（TBM）的安全特性进行评价。对DFLL-TBM及其辅助冷却系统的稳态运行工况、预期运行事件和相关事故工况进行了建模、计算和分析。计算结果表明,稳态运行时第一壁（FW）结构材料表面最高温度低于允许值550 ℃。事故工况下氦气泄漏引起的ITER真空室（VV）、窗口设备室（port cell）以及托卡马克冷却水系统大厅拱顶（TCWS vault）的增压均低于ITER要求的限值0.2 MPa。实验包层钢结构不会熔化且可通过辐射换热有效地导出衰变余热。DFLL-TBM的设计可满足ITER对其热工水力安全方面的要求。     

CLAM钢基体上大气等离子体喷涂制备氧化铝涂层工艺研究

液态金属锂铅包层是目前国际上聚变堆包层设计研究的主流方案之一,但其仍面临高氚渗透率、液态锂铅对包层结构材料的腐蚀以及锂铅流动引起的磁流体动力学MHD效应等问题,而包层结构材料表面加覆涂层是解决上述问题的关键技术之一。本实验尝试利用大气等离子体喷涂(APS)工艺在中国低活化马氏体CLAM钢上制备多功能氧化铝涂层,试验结果表明:涂层与基底具有较好的结合强度,平均值为31.7 MPa;涂层电阻率为5.26×109~1.54×1010Ω.m;并呈现较高的显微硬度和致密度。本工作可为未来聚变堆液态锂铅包层涂层制备提供理论依据和技术储备。     

环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究,得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响,并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明:采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速;相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数;液态铅铋合金对流换热过程中,导热项占主导地位,并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。     

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。     

液态铅铋合金流动速度场测量技术研究

液态铅铋合金是先进反应堆-加速器驱动的次临界系统(ADS)优选的靶材和冷却剂材料,液态铅铋流动速度场的测量是优化堆芯组件分布以及靶窗结构的一种重要手段。同时,冷却剂流动速度也是反映反应堆热工水力特征的重要参数之一。本文采用实验研究的方法,设计旋转搅动装置,通过对常温水与液态铅铋的流动速度场测量,验证了超声多普勒测速技术用于液态铅铋合金速度场测量的可行性。     

中国低活化马氏体钢CLAM在液态锂铅中腐蚀的初步实验研究

液态金属锂铅包层是最具发展潜力的聚变堆包层之一,其首选结构材料为低活化铁素体/马氏体钢,而它与液态锂铅的相容性是聚变堆材料研究领域的关键问题之一.本文介绍中国低活化马氏体钢CLAM在液态金属锂铅回路DRAGON-1热对流工况下的实验情况及500 h 480 ℃下初步腐蚀实验结果,并与同样工况下316L奥氏体钢腐蚀结果进行了对比分析.结果显示CLAM钢与液态锂铅的相容性优于316L钢.     

聚变堆液态金属锂铅包层多功能涂层研发

液态金属锂铅包层是目前国际上聚变堆包层设计研究的主要方案之一,结构材料表面制备涂层是降低锂铅包层中的氚渗透率、液态锂铅腐蚀及磁流体动力学(MHD)效应的重要技术之一.本文主要从涂层材料及其制备工艺两个方面重点介绍了国内外在液态锂铅包层涂层材料研发方面的进展概况,并对涂层技术发展进行了展望,最后提出了中国发展液态锂铅包层涂层的规划建议.     

Y型截止阀在液态铅铋中流阻测量与分析

液态铅铋合金是加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)反应堆主选冷却剂材料之一,阀门是高温液态铅铋实验回路的重要组成部件之一,它的流动阻力大小直接影响整个回路装置的结构设计与安全运行。基于液态铅铋流体测量技术实验回路PREKY,开展了Y型截止阀在液态铅铋堆典型工况下的阻力特性测量实验研究,利用压差变送器获得压差实验数据,并与理论计算结果进行对比分析,验证了实验测量方法的可行性和测量结果的合理性。另外,获得了流速1.2–2.0 m·s-1内液态铅铋介质中Y型截止阀流阻理论计算指数x值为2.4,此值可直接应用于未来液态铅铋实验回路流阻计算与分析工作。     

基于OpenFOAM的液态金属铅铋三维流动换热特性数值模拟研究

铅铋快堆是第4代核能系统的主要堆型之一,但由于液态金属铅铋的热物性与传统工质如水、空气等有很大不同,假设流动边界层与热边界层相似的雷诺比拟原理已不再适用。本文在开源程序OpenFOAM中开发了基于k-ε-k_θ-ε_θ四因子模型的自定义求解器,考虑热边界层与流动边界层的差异性,对带绕丝棒束通道中液态金属铅铋的流动换热现象进行数值模拟,得到了速度、温度等重要热工水力参数的三维分布,揭示了绕丝对冷却剂流动传热过程的影响规律,并将计算结果与经典实验关联式进行对比,结果符合良好,证明了所用模型和程序的正确性。本研究可为在OpenFOAM中添加新模型、开发自定义求解器以及开展针对液态金属流动换热问题的计算流体动力学（CFD）模拟提供参考。