【摘要】：包層技術(shù)是聚變能實現(xiàn)的核心技術(shù),而液態(tài)增殖包層因其好的導(dǎo)熱和載熱能力、高氚增殖能力等優(yōu)點,是目前包層概念設(shè)計和ITER測試包層模塊的主要方案之一。中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團隊設(shè)計了雙功能鉛鋰增殖包層(Dual-functional Lithium Lead, DFLL),有兩種運行模式：雙冷鉛鋰增殖包層(Dual-cooled Lithium Lead,DLL)和單冷鉛鋰增殖包層(Quasi-Static Lithium Lead, SLL)。聚變堆液態(tài)包層處于強磁場環(huán)境,導(dǎo)電流體在磁場作用下流動會產(chǎn)生感應(yīng)電流,形成磁流體動力學(xué)(MHD)效應(yīng),中子體積核熱密度的不均勻分布梯度在重力作用下會形成浮力效應(yīng),兩種效應(yīng)劇烈改變液態(tài)增殖劑的流動與傳熱性能,影響熱工結(jié)構(gòu)的可靠性,關(guān)系到液態(tài)包層概念的可行性,其冷卻劑出口溫度影響聚變堆能量轉(zhuǎn)換效率,關(guān)系到聚變堆的經(jīng)濟性,是液態(tài)金屬包層特有的關(guān)鍵問題。本文以聚變堆液態(tài)金屬包層存在的關(guān)鍵問題之一一浮力作用下的MHD流動傳熱為背景,研究包含浮力源項的高Hartmann數(shù)MHD數(shù)值模型與計算方法,開發(fā)并驗證了適用于聚變堆液態(tài)包層高Hartmann數(shù)工況的MHD分析程序MTC-OpenFOAM版本。主要工作為：(1)根據(jù)聚變堆液態(tài)包層高Hartmann數(shù)MHD流動特點,選擇合適的物理模型、流場求解算法、電場求解算法、浮力計算模型,完成磁流體分析程序MTC的開發(fā),具備完善的不可壓縮磁流體及浮力驅(qū)動流計算功能,可用于聚變堆工況下液態(tài)包層磁流體流動和傳熱分析；(2)根據(jù)強磁場下MHD湍流的特征,在現(xiàn)有MHD湍流雷諾平均模型的基礎(chǔ)上,開發(fā)出適用于高Hartmann數(shù)的MHD湍流模型；(3)應(yīng)用理論和實驗算例對程序進行了驗證,驗證算例涵蓋了從層流到湍流的各種工況,主要包括充分發(fā)展層流、三維層流、浮力驅(qū)動流、MHD湍流等。以大規(guī)模數(shù)值計算為主要手段,研究在聚變強磁場及非均勻的聚變中子核熱沉積條件下液態(tài)包層熱工水力特性,主要工作為：(1)從眾多的ITER和DEMO液態(tài)包層設(shè)計中選取典型包層結(jié)構(gòu)和熱工水力參數(shù)范圍,對其浮力效應(yīng)特征進行詳細的機理分析,總結(jié)出中子體積核熱、FCI絕熱性能、FCI電絕緣性能、流體流向?qū)σ簯B(tài)金屬包層MHD浮力流強度的影響；發(fā)現(xiàn)為了實現(xiàn)高溫出口,FCI材料導(dǎo)熱率要低于1W/mK；(2)分析典型包層DFLL TBM的MHD浮力驅(qū)動流特征,評價其熱工結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性,提供包層設(shè)計的優(yōu)化方向。主要結(jié)論為：(1)SLL TBM的結(jié)構(gòu)最高溫度704K,滿足結(jié)構(gòu)材料要求,不需要進行優(yōu)化；(2)DLLTBM的結(jié)構(gòu)最高溫度達1126K,很接近結(jié)構(gòu)溫度限制1270K,優(yōu)化后的DLL TBM包層的增殖劑PbLi最高溫度相比于優(yōu)化前降低了96K,大幅提高結(jié)構(gòu)安全裕量。
【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】：2015
【分類號】：TL61
【圖文】：

圖２．１液態(tài)包層的兩類不同的端流狀態(tài)區(qū)域ｎｗ逡逑（２）邋ＭＨＤn髂Ｐ脫芯肯腫村義隙肆魘的Ｄ庥校壤嚳椒ǎ豪著燈驕椒ǎǎ遙粒危櫻�、直洁]的Ｄ猓ǎ模危櫻╁義蝦痛蠡瞿Ｄ猓ǎ蹋牛櫻＃模危雍停蹋牛臃椒ǹ桑撞蹲降絶.流細節(jié)，計算精度高，但是逡逑

邐（ｂ）邋Ｒｅ＝１．０ｘ邋ｌ0ｓ是＆２0隨邋Ｈａ邋變化逡逑圖２．２導(dǎo)電管道二淮端流的無量綱瑞動能ｆｃｚＤ邋＝邋（ｕ＇２邋＋邋ｗ＇２）／逡逑圖２．２是Ｂｕｒｒｔｗ嘴行的ＭＨＤ管道流實驗的無量綱端動能隨Ｒｅ和化的變逡逑化關(guān)系，民ｅ￡［１．５ｘｌ０＾１．０ｘｌ０５］，Ｈａｅ［６００，４８００］，接近液態(tài)金屬包層的民ｅ逡逑和Ｈａ范圍。圖２．２邋（ｂ）展示了~.動能隨Ｈａ數(shù)的關(guān)系，Ｈａ數(shù)變化對端動能強度逡逑影響很大，磁場降低８倍后，端動能降低了一個量級，二者強相關(guān)。而Ｒｅ數(shù)變逡逑化與端動能強度相關(guān)性不明顯。扣ＩＷ模型和Ｋｅｎｊｅｒｅｓｆ＂＂ｌ模型對該實驗算例計算逡逑時，兩個模型均無法反應(yīng)瑞動能隨Ｈａ變化的規(guī)律。根據(jù)Ｂｉｉｈｌｅｒ的理論修正模型逡逑可ｉｉｌ準確反應(yīng)端動能隨Ｈａ變化的規(guī)律，可Ｗ認為理論修正模型的端流抑制速度逡逑因子中關(guān)于磁場的部分是正確的，但該模型的瑞流抑制速度因子ｅｘｐ邋Ｃｆ邋（＾１邋＋逡逑丈公咱＝ｅ邱（－Ｃｆ＾ｌ邋＋吉苗[歟┌隋澹遙迨撓跋歟庥?xùn)V笛楣鄄斕膩義希遙迨攵碩艿奈薰匭怨媛上轡ケ場Ｒ恢種憊鄣男拚椒ㄊ墻礪坌拚Ｐ橢繡義系模遙迨サ

本文編號：2793906