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在对国内外液态锂回路研究综述的基础上,重点介绍了四川大学流动液态锂回路的研究进展。为开展等离子体与流动自由液态锂表面相互作用的研究而设计了该回路,其目标是：(1)获得稳定、均匀的流动自由液态锂表面;(2)研究等离子体辐照下液态锂的蒸发、溅射以及氢、氢同位素和氦在液态锂中的滞留行为;(3)研究等离子体辐照下液态锂与结构材料的相容性。系统包括液态锂循环部分和直线高密度等离子体发生装置。     

液态锂综合实验平台中液态锂流面与氩等离子体相互作用

介绍了由锂回路、直线等离子体装置及液态锂净化系统等组成的液态锂综合实验回路平台。研究了液态锂与高密度等离子体相互作用、液态锂与结构材料相容性、液态锂净化和液态锂回路热工水力学参数测量等问题。实验结果表明,流动液态锂的蒸发速率与放电电流、氩气流量及磁场强度呈正相关关系。由流动液态锂产生的锂蒸气在轴向分布不具规律性,在径向分布呈高斯分布。流动液态锂的蒸发速率随着实验时间的增长逐渐升高,并趋于稳定。磁场抑制了液态锂的流动性。在磁场和等离子体长时间的作用下,流动液态锂表面生成一层很薄的氧化锂。     

液态锂综合实验平台中液态锂流面与氩等离子体相互作用

介绍了由锂回路、直线等离子体装置及液态锂净化系统等组成的液态锂综合实验回路平台。研究了液态锂与高密度等离子体相互作用、液态锂与结构材料相容性、液态锂净化和液态锂回路热工水力学参数测量等问题。实验结果表明,流动液态锂的蒸发速率与放电电流、氩气流量及磁场强度呈正相关关系。由流动液态锂产生的锂蒸气在轴向分布不具规律性,在径向分布呈高斯分布。流动液态锂的蒸发速率随着实验时间的增长逐渐升高,并趋于稳定。磁场抑制了液态锂的流动性。在磁场和等离子体长时间的作用下,流动液态锂表面生成一层很薄的氧化锂。     

氩气驱动液态锂回路的总体设计及初步运行结果

为了研究等离子体与自由液态锂表面相互作用的物理过程,建立了用氩气驱动的液态锂回路装置。介绍了建立的液态锂回路装置的组成部分、技术参数及运行原理。此回路主要由主回路、等离子体与液态锂相互作用试验段和单阴极高密度等离子体发生装置三部分组成。目前,此回路已取得一些初步的模拟结果和实验结果。     

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为了研究等离子体与自由液态锂表面相互作用的物理过程,建立了用氩气驱动的液态锂回路装置。介绍了建立的液态锂回路装置的组成部分、技术参数及运行原理。此回路主要由主回路、等离子体与液态锂相互作用试验段和单阴极高密度等离子体发生装置三部分组成。目前,此回路已取得一些初步的模拟结果和实验结果。     

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应用商业软件ANSYS CFX计算了等离子体热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响。计算结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热通量的增大而线性升高,冷却水流速为1.5m·s-1,热通量分别为0.1MW·m-2和1MW·m-2时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3°C和458.6°C。增大液态锂流速,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。计算结果对液态锂回路安全稳定运行提供了一定参考。     

聚变堆包层流动锂液帘与堆芯兼容性评估

运用零维模型分析了液态锂作为包层流动液帘与堆芯等离子体的兼容性,得到了液态锂工作温度对堆芯有效平均等离子体电荷Zeff、燃料稀释以及聚变功率之间的关系。结果表明在正常工作情况下,液态锂的蒸发对Zeff的影响不是很严重,但对燃料稀释和聚变功率的影响却较为敏感。在具有较高功率密度的反剪切位形聚变实验增殖堆FEB E设计方案Ⅱ的条件下,计算了液态锂的流速与它表面最大温升的关系,结果表明,即便对0.5m·s-1的低速流动液态锂,其蒸发对聚变等离子体的影响甚微。最后对氢同位素饱和状态下液态锂包层表面的溅射作了初步的讨论。     

热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响

应用商业软件ANSYS CFX 计算了等离子体热通量和液态锂流速对自由流动液态锂温度分布的影响。计算结果表明,导向槽中心附近液态锂温度较高,冷却水入口和出口对应位置液态锂温度最低。液态锂出口温度随着等离子体热通量的增大而线性升高,冷却水流速为1.5m·s⁻¹,热通量分别为0.1MW·m⁻² 和1MW·m⁻² 时,液态锂在出口处对应的温度分别为255.3°C 和458.6°C。增大液态锂流速,导向槽内液态锂的温度逐渐降低,但温度变化的幅度较小。计算结果对液态锂回路安全稳定运行提供了一定参考。     

液态锂限制器的铺展性测试平台设计及初步实验

为研究液态锂在电磁驱动限制器表面的铺展特性,设计了与EAST限制器接口相同的限制器测试平台。该平台运行时真空环境可达10^-4Pa,对被测限制器可加热至350℃。在限制器锂回路管道上,利用外部2T水平磁场以及竖直方向施加的最大为200A的直流电流,形成电磁驱动力驱动下的锂液循环回路。测试平台设有顶部和正面两个观察窗,能够在可视化条件下,完成液态锂限制器的铺展性测试实验。基于该测试平台,对首次设计的双通路液态锂限制器,研究了不同实验温度和驱动电流下液态锂在限制器表面的流动铺展情况。结果发现,锂的流量和限制器表面结构是影响锂液铺展的主要因素。     

水平磁场中液态锂膜流动实验装置及初步结果

设计了用于水平磁场中锂膜流动铺展性及磁流体动力学效应研究的实验装置，介绍了所用磁铁、锂循环回路、动力系统、回路温控系统和测量系统五个组成部分。各部分加工完成，进行现场组装与回路调试，最后加入锂锭熔融后完成实验台搭建工作。利用该实验台研究了锂膜在不锈钢表面的铺展情况、锂膜表面形态与流动雷诺数的关系，以及磁场对液膜表面形态的影响等方面。结果发现液态锂膜在充分锂浸润的不锈钢表面能够完全铺展，水平磁场对锂膜流动有致稳作用，并且可以抑制磁场方向的表面波动。     

Magnetic propulsion of intense lithium streams in a tokamak magnetic field

This paper describes the effect and gives the theory of magnetic propulsion which allows driving free surface plasma facing liquid lithium streams in tokamaks. In the approximation of a thin flowing layer the MHD equations are reduced to one integrodifferential equation which takes into account the propulsion effect, viscosity, and the drag force due to magnetic pumping and other interactions with the magnetic field. A stability criterion is obtained for stabilization of the "sausage" instability of the streams by centrifugal force.     

HT-7装置液态锂限制器实验中锂的腐蚀与沉积特性的研究

在磁约束聚变等离子体装置中, 面对等离子体的第一壁将直接影响高温等离子体性能及第一壁寿命, 具有表面自我修复的、能有效抑制边界粒子再循环的液态金属锂第一壁越来越被重视, 其中液态锂第一壁与等离子体相互作用的研究尤其重要. 本文研究了HT-7装置液态锂限制器实验中锂的表面腐蚀及在装置内沉积特性、及其对等离子体性能影响. 实验表明, 当锂与等离子体相互作用较弱时, 锂以微弱的蒸发及溅射形式从表面腐蚀并进入等离子体, 表现为锂的线辐射有所增强, 等离子体内杂质水平降低, 氢再循环降低, 有利于等离子体约束性能提高; 当锂与等离子体间的相互作用比较强时, 锂主要以锂滴形式直接进入等离子体, 引起锂的辐射爆发, 最终引发等离子体放电破裂. 通过对锂斑及样品的分析发现, 锂主要沉积在限制器周围, 并且在低场侧及沿着等离子体电流方向沉积居多, 表现为极向和环向分布不均匀, 这也导致边界粒子再循环分布的不均匀. 这些实验为研究液态锂第一壁与等离子体相互作用, 分析液态锂第一壁在托卡马克装置上应用具有重要参考意义.