浮力作用下液態(tài)金屬包層內(nèi)磁流體流動與傳熱特性研究.pdf

1、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oFDS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 Le

2、ad，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—浮力作用下的MHD流

3、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;

4、(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(jìn)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

5、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(jìn)行詳細(xì)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，F(xiàn)CI材料導(dǎo)熱率要低于1W/mK;(2)分析典型包層DFLLTBM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)SLLTBM的結(jié)構(gòu)最高溫度704K，滿足結(jié)構(gòu)材料要求，不需要進(jìn)行優(yōu)化;(2)DLLTBM的結(jié)構(gòu)最