【摘要】：液態(tài)金屬包層是聚變堆示范包層的主要候選包層之一,液態(tài)金屬包層中的導(dǎo)電流體在聚變堆強磁場環(huán)境下會出現(xiàn)磁流體動力學(xué)(MHD)效應(yīng)。MHD效應(yīng)不僅增加了包層管道中的壓降,也改變了液態(tài)金屬在包層中的速度與溫度分布,影響了氚在包層中的輸運。論文在充分調(diào)研國內(nèi)外聚變堆高溫強磁場環(huán)境下液態(tài)金屬MHD數(shù)值模擬程序現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展了液態(tài)金屬MHD流動傳熱問題的數(shù)值模擬程序,并用標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行了驗證。論文中的MHD數(shù)值模擬程序采用電勢方法求解液態(tài)金屬中的感應(yīng)電流,利用相容守恒格式與投影算法,最終獲得包層管道中的液態(tài)金屬流動速度與壓力分布。基于計算機(jī)共享內(nèi)存系統(tǒng),程序設(shè)計過程中采用了 OpenMP并行編程標(biāo)準(zhǔn),在程序運行過程中實現(xiàn)了并行計算,加速了數(shù)值計算過程的收斂。數(shù)值模擬程序的計算結(jié)果分別采用Hunt's算例與Shercliff's算例進(jìn)行了驗證,結(jié)果表明壓力梯度與速度分布與理論解符合得很好,可以作為聚變堆包層設(shè)計過程中的重要分析工具。通過MHD數(shù)值模擬程序獲得液態(tài)金屬包層管道中流場分布后,使用有限體積法求解能量方程。求解過程采用QUICK格式離散對流項,并利用塊修正技術(shù)將邊界影響傳遞到管道內(nèi)部,加快了數(shù)值模擬過程的收斂。從數(shù)值計算結(jié)果可以看出,管道側(cè)壁的剪切流動顯著提高了側(cè)壁附近液態(tài)金屬的傳熱能力。聚變堆實際工況下,溫度對液態(tài)金屬的粘性系數(shù)產(chǎn)生了很大影響,進(jìn)而影響到流動和傳熱狀況。論文通過將動量方程和能量方程耦合求解,計算了溫度影響下的液態(tài)金屬管道中的MHD流動與傳熱分布。結(jié)果表明,側(cè)壁附近的液態(tài)金屬流動速度將會減慢,并削弱了導(dǎo)電流體的傳熱能力,導(dǎo)致側(cè)壁附近液態(tài)金屬的溫度高于粘性系數(shù)不改變時的情況。同時,論文以DCLL包層為例,通過數(shù)值求解氚在液態(tài)金屬包層中的質(zhì)量傳輸方程,獲得了 Hunt's算例中的氚濃度分布,并對氚在包層中的輸運過程進(jìn)行了分析,對于開展液態(tài)金屬包層中的氚濃度分析有著很好的應(yīng)用價值。為獲取高壓氦氣對液態(tài)金屬包層結(jié)構(gòu)的傳熱性能參數(shù),并驗證MHD數(shù)值模擬程序計算結(jié)果的正確性,論文設(shè)計建造了高壓氦氣/液態(tài)鉛鋰MHD換熱與傳質(zhì)回路實驗系統(tǒng)。高壓氦氣系統(tǒng)由氦氣瓶供氣,通過壓縮機(jī)、儲存罐與緩沖罐的共同作用,實現(xiàn)了氦氣的循環(huán)利用與閉環(huán)控制。液態(tài)鉛鋰回路為實驗系統(tǒng)的試驗段,論文給出了回路的設(shè)計方案,介紹了其中的主要設(shè)備與測量技術(shù),為下一步開展液態(tài)鉛鋰MHD換熱與傳質(zhì)實驗建立了基礎(chǔ)。
【圖文】：

按照反應(yīng)方式不同，核能利用方式分為裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)。裂變反逡逑應(yīng)是將一個原子核分裂成兩個或更多部分的過程。聚變反應(yīng)過程與裂變反應(yīng)正逡逑好相反，是由較輕的原子核（如氘、氚等）結(jié)合成一個較重原子核的過程（圖１．１）。逡逑實現(xiàn)聚變反應(yīng)并能夠穩(wěn)定地輸出能量的裝置稱為聚變反應(yīng)堆（聚變堆）。太陽就逡逑可以看成是一個巨大的聚變反應(yīng)堆，通過內(nèi)部持續(xù)不斷的聚變反應(yīng)不斷向外輻逡逑射著能量，給地球帶來了大量的光和熱。單位質(zhì)量的聚變反應(yīng)燃料比裂變反應(yīng)燃逡逑料能夠釋放出更多能量，并且聚變?nèi)剂显诘厍蛏蟽α糠浅ＸS富，如果能夠?qū)崿F(xiàn)高逡逑溫條件下的可控聚變反應(yīng)，并將釋放的能量用于生產(chǎn)生活，不僅能夠解決能源問逡逑題，也是當(dāng)今自然科學(xué)界面臨的一項具有重大意義的研宄課題。逡逑現(xiàn)在實驗室中可以實現(xiàn)的聚變反應(yīng)主要包括：逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ＾邋Ｈｅ３＋邋ｎ邋＋邋３．３１ＭｅＶ邐（１．１）逡逑Ｄ邋＋邋Ｄ＾Ｔ邋＋邋Ｈｌ＋邋Ａ．ＱＡＭｅＶ邐（１．２）逡逑１逡逑

因此在地球上含量極少。在氫的天然同位素中，l#的豐度僅為ｌｘｌ0－１６，全球共逡逑計約２ｋｇ。而要實現(xiàn)聚變反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，必須保證氚在聚變反應(yīng)過程中能夠自逡逑給自足（氚自持）。這一過程主要是由聚變堆包層完成的。圖１．３為ＩＴＥＲ水冷屏蔽逡逑包層的結(jié)構(gòu)示意圖，該包層由多個環(huán)繞著真空室的模塊組成，其中設(shè)計了３個窗逡逑口共６個模塊用于測試驗證包層氚增殖性能和核熱排出能力。氚增殖材料主要逡逑有鋰陶瓷球和液態(tài)金屬鉛鋰，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子在包層中與鋰發(fā)生反應(yīng)逡逑生成氚（ｈ６邋＋邋／ｉ－＞Ｈｅ４邋＋邋ｒ），同時在減速過程中將中子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，被冷逡逑卻劑收集后加以利用。除此之外，在磁約束聚變堆中，，包層還起著輻射屏蔽的作逡逑用，以保護(hù)超導(dǎo)磁體免受聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子和射線的輻照損傷。逡逑隨著聚變堆技術(shù)的發(fā)展，世界各國提出了多種不同的聚變堆示范（ＤＥＭＯ）逡逑包層設(shè)計方案。其中，按照氚增殖劑形態(tài)的不同可以把包層分為固態(tài)包層和液逡逑態(tài)包層。在固態(tài)包層概念設(shè)計中
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL64

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本文編號：2681010