聚变堆液态包层增殖区铅锂与氦气多流场耦合换热特性研究

采用三维计算流体动力学(CFD)方法对聚变堆液态包层增殖区高温液态铅锂与结构内高压氦气耦合换热进行数值模拟。建立了充放式高压氦气回路和换热实验段,开展了包层典型工况下液态铅锂与氦气多流场耦合换热对比实验验证。研究了氦气压力和增殖区铅锂入口温度、核热功率密度变化时的流动与传热特性及其影响规律,获得了氦气与RAFM钢壁面、液态铅锂与RAFM钢壁面之间的换热系数和换热关联式,为液态包层的设计研发提供了参考依据。     

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。     

流体从分支管道流入引起的3维磁流体动力学效应

分支管道引起的磁流体动力学（MHD）效应是磁约束聚变堆液体金属包层或自冷包层的关键问题之一。然而,由于磁流体的复杂性和实验条件的限制,尤其2维（2D）和3维（3D）效应的实验数据还很少,分支管道的MHD效应实验结果尚未见报道,而且MHD压降理论值与实验值相差10％－25％,何种原因尚未深究。继开展流出分支管道引起的磁流体动力学（MHD）效应研究之后,我们利用国际合作渠道提供的仪器和国内唯一专门研究磁流体动力学效应液态金属回路,开展了3维和3维磁流体动力学效应实验研究。     

FCI结构及其电导率对MHD效应影响实验研究

实验研究了通道插件(FCI)压力平衡孔(PEH)和压力平衡狭缝(PES)结构、绝缘和非绝缘材质对磁流体动力学(MHD)效应的影响,结果表明：带PEH或PES、绝缘或非绝缘材质的FCI产生的流速分布有很大的差异;对MHD压降而言,FCI结构PEHs或PES差异的影响大于FCI绝缘或非绝缘材质差异引起的影响;对流速分布而则刚好相反。二次流引起的局部流速骤增的MHD效应(简称为S-MHD效应)对控制管道内流速分布和降低MHD压降有作用,这些实验结果为弄清FCI的MHD效应机制和液态金属包层设计提供了实验认知与有价值的参考。     

简化理论研究液态包层通道插件流体MHD效应

基于先前的普通管道中的MHD效应的实验结果和质量守恒定律(或液态流体不可压缩原理)、洛仑磁力定律和电荷守恒定律,再利用有源网络等效方法,发展出一种简化而有效的分析带通道插件(FCI)管道的磁流体动力学(MHD)效应的方法。简化理论预测结果表明：采用FCI可有效地降低MHD压降;FCI的电导率存在一个临界值时,当大于这个值时,中心区流速将小于边界区流速;管道结构、FCI电导率、液态金属种类等存在着一个最佳组合参数,能最有效地减少MHD压降。     

托卡马克聚变堆堆芯参数时空分布的数值研究

本文描述包括聚变α粒子、高能束注入及回旋辐射的较完整的托卡马克聚变堆堆芯一维输运模型和程序。所得到的粒子、磁场及能量时空分布是合理的,与实验定标律外推及INTOR预计值一致。借助数值分析了α粒子能量利用及分配、束注入特性、等离子体约束、杂质和初边条件对结果的影响,可供设计准稳态热核堆芯时参考。     

聚变堆液态包层准二维磁流体湍流模型研究

为研究聚变堆氚增殖包层中液态金属湍流磁流体动力学(MHD)效应,开发了一种新的准二维单方程 MHD 湍流模型,并进行了相关数值模拟程序的编制及验证。对于矩形管道中的准二维 MHD 湍流流动,三维流 动主要发生在哈德曼层中,中心的主流区呈现出二维流动。为了反映这种特殊的流动特征,新湍流模型在标准 k-ε 模型的基础之上去掉了传统的耗散项,代之以电磁耗散项来模拟湍流 MHD 效应。同时,采用 Bradshaw 假设来对 湍流涡粘系数进行模化。为验证该湍流模型是否合理,编制了相关数值模拟程序,并利用直接数值模拟(DNS)结 果对该程序进行了校正,数值模拟结果与 DNS 结果吻合较好。计算结果表明,该湍流模型可应用于聚变堆液态 包层 MHD 湍流流动的数值模拟。     

液态金属自由表面膜流MHD效应的数值模拟

对液态金属自由表面膜流在强磁场下的磁流体力学效应进行了数值模拟研究,获得了液态金属自由表面的形状、截面流速分布及截面上的电动势分布,从而能对膜流的一些磁流体动力学行为作出解释。数值计算结果与理论分析和实验结果符合较好。由实验和数值模拟结果可以得出,液态金属膜流通过强磁场时,磁场会阻碍膜流的运动。     

多芯光子晶体光纤优化掺杂分布实现同相位超模输出

本文基于多横模运转的传输速率方程,建立了多芯光子晶体光纤放大器的数值模型.利用分步傅里叶方法,分析了掺杂浓度分布、耦合强度、抽运功率对于放大器各模式输出功率的影响.通过对多芯光子晶体光纤掺杂浓度的阶梯设计和纤芯间耦合强度的优化,实现了无需插入其他外加元件,利用光纤本身特性就可以实现选定同相位超模的方法,并且数值计算表明高抽运功率也能够提高放大器输出同相位超模的比例,进一步优化了多芯光子晶体光纤放大器输出脉冲的光束质量.     

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。     

基于偏芯结构的光纤传感器的振动传感特性研究

提出了一种基于偏芯熔接结构的光纤振动传感器,该传感器具有较好的梳状滤波特性和较高的消光比。通过对该结构的传感器的弯曲响应特性进行分析,实验结果表明该传感器对弯曲变化表现出了近似线性响应的特性。在此基础上进一步研究了传感器的振动响应特性,对传感器工作在线性响应区域和非线性响应区域的振动响应特性进行了分析和对比。实验结果表明,该传感器在线性工作区域表现出了极好的振动响应特性,其振动响应谱线与马赫曾德尔型光纤干涉仪相类似。此外,该传感器在无振动情况下的噪声极低,具有较好的实际应用价值。     

大芯径光纤整形飞秒激光脉冲空间分布的研究

通过将1 kHz重复频率的飞秒放大激光脉冲耦合到大芯径(100μm)阶跃光纤,在27 mm长的光纤中产生了环形空间光强分布,并在3 160 mm的长光纤中观察到平台型的空间光强分布,通过自聚焦效应对该现象进行了解释.结果表明,通过选择合适的光纤,可以实现对放大飞秒激光脉冲的有效空间整形,从而达到改善光束质量的效果.     

大芯径光纤整形飞秒激光脉冲空间分布的研究

通过将1 kHz重复频率的飞秒放大激光脉冲耦合到大芯径（100 μm）阶跃光纤,在27 mm长的光纤中产生了环形空间光强分布,并在3 160 mm的长光纤中观察到平台型的空间光强分布,通过自聚焦效应对该现象进行了解释.结果表明,通过选择合适的光纤,可以实现对放大飞秒激光脉冲的有效空间整形,从而达到改善光束质量的效果.     

同成分掺镁铌酸锂晶体紫外光致吸收阈值效应的研究

研究了同成分掺镁铌酸锂晶体中的紫外光致吸收效应。通过对不同掺Mg浓度铌酸锂晶体的紫外光致吸收系数和双色存储灵敏度的测量,发现同成分掺镁铌酸锂晶体的紫外光致吸收效应具有Mg离子浓度阈值效应。只有当掺Mg摩尔分数大于3．0％时,从近紫外一直延伸到近红外波段的紫外光致吸收效应才显示出来。这一Mg离子浓度阈值效应进一步为双色存储灵敏度的测量结果所证实。该浓度阈值小于掺镁铌酸锂晶体抗光损伤效应的摩尔分数阈值4．6％。这种紫外光致吸收现象可能和掺镁铌酸锂晶体中反位铌NbLi浓度的急剧减少基本消失有关。