浮力作用下液态金属包层内磁流体流动与传热特性研究

摘要

包层技术是聚变能实现的核心技术，而液态增殖包层因其好的导热和载热能力、高氚增殖能力等优点，是目前包层概念设计和ITER测试包层模块的主要方案之一。中国科学院核能安全技术研究所oFDS团队设计了双功能铅锂增殖包层（Dual-functional Lithium Lead，DFLL），有两种运行模式:双冷铅锂增殖包层(Dual-cooled Lithium Lead，DLL)和单冷铅锂增殖包层(Quasi-Static Lithium Lead，SLL)。聚变堆液态包层处于强磁场环境，导电流体在磁场作用下流动会产生感应电流，形成磁流体动力学(MHD)效应，中子体积核热密度的不均匀分布梯度在重力作用下会形成浮力效应，两种效应剧烈改变液态增殖剂的流动与传热性能，影响热工结构的可靠性，关系到液态包层概念的可行性，其冷却剂出口温度影响聚变堆能量转换效率，关系到聚变堆的经济性，是液态金属包层特有的关键问题。
　　本文以聚变堆液态金属包层存在的关键问题之一—浮力作用下的MHD流动传热为背景，研究包含浮力源项的高Hartmann数MHD数值模型与计算方法，开发并验证了适用于聚变堆液态包层高Hartmann数工况的MHD分析程序MTC-OpenFOAM版本。主要工作为:(1)根据聚变堆液态包层高Hartmann数MHD流动特点，选择合适的物理模型、流场求解算法、电场求解算法、浮力计算模型，完成磁流体分析程序MTC的开发，具备完善的不可压缩磁流体及浮力驱动流计算功能，可用于聚变堆工况下液态包层磁流体流动和传热分析;(2)根据强磁场下MHD湍流的特征，在现有MHD湍流雷诺平均模型的基础上，开发出适用于高Hartmann数的MHD湍流模型;(3)应用理论和实验算例对程序进行了验证，验证算例涵盖了从层流到湍流的各种工况，主要包括充分发展层流、三维层流、浮力驱动流、MHD湍流等。
　　以大规模数值计算为主要手段，研究在聚变强磁场及非均匀的聚变中子核热沉积条件下液态包层热工水力特性，主要工作为:(1)从众多的ITER和DEMO液态包层设计中选取典型包层结构和热工水力参数范围，对其浮力效应特征进行详细的机理分析，总结出中子体积核热、FCI绝热性能、FCI电绝缘性能、流体流向对液态金属包层MHD浮力流强度的影响;发现为了实现高温出口，FCI材料导热率要低于1W/mK;(2)分析典型包层DFLLTBM的MHD浮力驱动流特征，评价其热工结构设计的可靠性，提供包层设计的优化方向。主要结论为:(1)SLLTBM的结构最高温度704K，满足结构材料要求，不需要进行优化;(2)DLLTBM的结构最高温度达1126K，很接近结构温度限制1270K，优化后的DLL TBM包层的增殖剂PbLi最高温度相比于优化前降低了96K，大幅提高结构安全裕量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 能源与核聚变

1．2 聚变堆包层

1．3 磁流体动力学(MHD)及程序研究现状

1．4 液态包层MHD浮力效应研究历史及现状

1．5 主要内容与结构

第二章 液态金属包层MHD模型及程序验证

2．1 液态金属MHD物理模型

2．1．1 MHD控制方程

2．1．2 液态金属包层MHD流动传热特征

2．2 液态金属MHD计算模型

2．2．1 流场求解算法

2．2．2 电场求解算法

2．2．3 MHD湍流模型

2．3 MTC-OpenFOAM程序研发及验证

2．3．1 MTC-OpenFOAM程序研发

2．3．2 充分发展管道层流验证

2．3．3 三维稳态层流验证

2．3．4 MHD浮力驱动流验证

2．3．5 MHD湍流验证

2．4 小结

第三章 液态包层典型流道MHD浮力效应参数敏感性分析

3．1 液态包层典型设计及特征

3．1．1 ITER及DEMO液态包层典型设计

3．1．2 液态包层热工水力学量纲分析

3．2 液态包层浮力效应关键参数敏感性分析

3．2．1 中子体积热密度对浮力效应影响

3．2．2 FCI绝热性能对浮力效应及高温出口影响

3．2．3 流体流向对浮力效应影响

3．2．4 FCI导电性能对浮力效应及MHD压降影响

3．3 小结

第四章 浮力作用下DFLL TBM流动传热特性分析

4．1 液态实验包层DFLL TBM简介

4．1．1 基本概念

4．1．2 结构设计及冷却方案

4．2 单冷模式SLL TBM流动传热分析

4．2．1 SLL TBM分析模型简化

4．2．2 SLL TBM流动传热分析

4．3 双冷模式DLL TBM流动传热分析

4．3．1 DLL TBM分析模型简化

4．3．2 DLL TBM流动传热分析

4．4 双冷模式DLL TBM设计优化

4．4．1 DLL TBM优化模型

4．3．2 DLL TBM优化模型流动传热分析

4．5 小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 本文创新点

5．3 未来展望

参考文献

在读期间发表的论文信息

在读期间参与的项目

致谢