液态金属自由表面射流在非均匀磁场下的磁流体力学效应研究

近年来，由于考虑液态金属作为偏滤器／限制器和第一壁的面对等离子体材料，液态金属自由表面受到越来越多的关注。原因在于液态金属自由表面具有高效的排热和吸热性能、能随强的中子辐照和高的表面热功率密度等特点，而这是未来先进聚变堆对偏滤器、限制器、第～壁材料所要求的。为此，美国启动了庞大的研究项目——ALPS／APEX，而各主要发达国家也展开这方面相关的研究工作。但是目前对于液态金属自由表面在聚变相关条件下的了解还是很有限的，特别是射流，这是由于射流在非均匀磁场下的行为太复杂：一方面是涉及流体力学的自由表面问题。另一方面是导致其更为复杂化的磁流体力学（MHD）效应。本文就液态金属自由表面射流在非均匀磁场下的稳定性展开研究，而研究其稳定性的关键在于它的磁流体力学效应。     

ITER屏蔽包层模块的热工水力学计算与分析

国际热核实验堆（ITER）项目是一个大型的能源科学项目，也是继国际空间站之后最大的国际科技合作项目，其主要目的是演示利用聚变能大规模商业发电的科学与技术可行性。ITER的关键技术之一是包层技术，它的基本设计工作在2001年就已经完成，之后又进行了一些比较大的改进，这些改进中包括了冷却系统。冷却系统是由很多的径向管组成的方阵（如图1），整个屏蔽包层的冷却主要由这些径向管完成，它们分别位于8个系列上，系列之间是串联关系，在图1中，冷却剂流经系列的顺序是6-58-74-32-1。每两个系列通过前集管组成一对（总共4对），如系列6和5，     

自由表面磁流体射流不稳定性分析（Ⅱ）

在“自由表面磁流体射流不稳定性分析(Ⅰ)”一文中，分析了圆形截面自由表面磁流体射流在一个均匀或非均匀磁场中的不稳定性行为。本文以类似的方法分析了圆形截面射流(下文“射流”亦特指“圆形截面射流”)在两个相互垂直且非均匀的横向磁场中的磁流体不稳定性行为；这是磁聚变中液态金属偏滤器和限制器所处的情况，即，环向和极向磁场同时作用于自由表面射流。     

ITER屏蔽包层最新设计的热工水力和热应力分析

介绍了屏蔽包层最新的设计方案,对比了2004年DDD设计方案与新方案在第一壁和屏蔽块结构上的差别,并对第8号包层模块的屏蔽块进行了热工水力和热应力的分析。结果表明,第8号包层模块屏蔽块的最高温度不超过200ºC,最大Von-Mise应力在200MPa以内,基本满足ITER设计要求,但冷却剂压降稍微偏大,达到0.44MPa。另外,在屏蔽块前端暴露在等离子体表面热负荷的部位,根据热应力分析计算结果,对其承载热负荷能力进行评估,改进了设计方案。     

垂直位移事故中ITER屏蔽包层的电磁场分析

采用有限元方法计算了垂直位移事故中ITER包层系统及周围主要部件的电磁场力和力矩。通过ANSYS APDL动态模拟垂直位移事件过程中等离子体电流的形状和大小,并加载外界磁场,计算得到了包括包层在内的所有导体内部的感应电流分布。通过计算,得到了各个位置的包层模块的力和力矩,可用于评估该事故下包层系统的安全性。     

ITER第一壁铍-铜界面缺陷的热应力及弹塑性结构分析

为保障第一壁板铍/铜连接的性能满足ITER运行要求,需通过高热负荷疲劳试验评估缺陷的影响,确定可接受的缺陷尺寸、形状、位置等。针对该试验用增强热负荷(EHF)第一壁小模块,通过温度场及弹塑性结构分析,研究试验工况下铍/铜界面预制人工缺陷对模块性能的影响。分析结果表明,缺陷位置和尺寸都会对缺陷附近的弹塑性应变产生直接影响,从而影响模块的热疲劳性能;缺陷越大,影响范围越大;边缘型缺陷的影响远大于中心位置缺陷。     

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给出了通道插件管道MHD效应的初步实验结果,结果表明：中心区流速分布与数值预测的差别较大,且不同位置的管道截面流速分布不同,在压力平衡孔之间呈周期性变化;宏观的中心区与边缘区流量分配、MHD压降与简化理论预测结果相接近。这些数据将给FCI管道数值分析模型的完善和液态包层设计提供参考。     

涂层裂纹的MHD压降研究

目前的研究已表明,自冷包层中的MHD压降问题可以在与液态金属流体接触的通道壁上涂电绝缘陶瓷涂层或自修复涂层而得到很好的解决。但因热应力等因素引起陶瓷出现裂纹或剥落,在陶瓷涂层出现裂纹或剥落后的MHD压降需要开展相应的实验工作。考虑到低成本和方便的涂层工艺,本研究中的绝缘涂层使用了在回路的运行温度下与流体介质相容的聚氨基甲酸脂,用旋转加热法在外径为64mm、内径为57mm的导电实验段的内壁均匀地涂上2.65mm厚的聚氨基甲酯酯电绝缘涂层,涂后的流道内径为51．7mm,如图1所示,D1－D5为设置的模拟涂层裂纹的铜电极,电要直径为10mm,长为100mm。P1和P2为差压传感器接口,间距为500mm。LEVI探针可测量该方向上的MHD流速分布。P1和P2,电极D1－D5以及LEVI接口均位于电磁铁提供的均匀磁场区域,其方向与液态金属流速和外加磁场垂直。采用特殊的涂层工艺,使每个接口连接处的液态金属不会通过这些电极、差压接口以及LEVI接口与导电的实验段外壁短路,确保全绝缘和各种模拟裂纹的MHD压降实验的可靠性和准确性。     

新液态金属实验回路

本文报道液态金属实验回路的安全技术改造。改造完毕后的回路消除了原回路的周有安全隐患．改善了可调恒定磁场的稳定性，提升了数据采集和处理系统的性能和可靠性。安全改造后的新液态金属实验回路具备了开展液态偏滤器和液态包层相关的磁流体动力学效应（MHD）及其热工水力学方面的研究条件。