建立聚變堆偏濾器流動(dòng)穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于液態(tài)膜流流動(dòng)的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種建立聚變堆偏濾器流動(dòng)穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前受控核聚變?nèi)匀幻媾R發(fā)展合適的面對(duì)等離子體材料這一巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，至今研究人員還沒有找到一種固體材料能夠同時(shí)承受聚變堆極高的熱流沖擊及非常大的中子輻照損傷。因此流動(dòng)的液態(tài)金屬鋰被提出作為聚變堆面對(duì)等離子體材料，用作聚變堆高熱負(fù)荷部件(特別是偏濾器)的表面來(lái)承受極高的熱流沖擊及減少中子輻照損傷。已有的研究結(jié)果表明固體聞熱負(fù)荷材料在穩(wěn)態(tài)情況下最聞只能承受:10MW/m2的表面熱流沖擊，而液態(tài)自由表面最高可承受50MW/m2的表面熱負(fù)荷；同時(shí)液態(tài)鋰是很好的中子慢化和增殖劑，可以有效降低聚變中子對(duì)固體結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷；通過(guò)流動(dòng)液態(tài)鋰的實(shí)時(shí)在線循環(huán)更新，可以避免出現(xiàn)類似固體材料的腐蝕和使用壽命問(wèn)題；另外通過(guò)液態(tài)鋰的循環(huán)更新還可以有效吸附和帶走等離子體中的雜質(zhì)粒子，實(shí)現(xiàn)低再循環(huán)運(yùn)行模式，獲得高約束等離子體放電，對(duì)實(shí)現(xiàn)等離子體的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有很大的幫助。
[0003]但是對(duì)磁約束聚變堆，液態(tài)鋰偏濾器的實(shí)現(xiàn)還有許多技術(shù)難題需要解決。首先需要解決的問(wèn)題是如何在聚變堆梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下建立能夠完整覆蓋固體底壁且穩(wěn)定、厚度均勻的膜流流動(dòng)。磁約束聚變堆中磁場(chǎng)強(qiáng)度約為2T至7T，表征洛倫茲力與粘滯力比值的無(wú)量綱哈德曼數(shù)通常大于103，洛倫茲力對(duì)膜流流動(dòng)的影響非常大。通常洛倫茲力是阻礙膜流向前流動(dòng)的，因此會(huì)發(fā)生膜流流動(dòng)過(guò)程中的磁流體不穩(wěn)定性，通常表現(xiàn)在膜流流動(dòng)受阻而堆積變厚甚至流動(dòng)阻滯、膜流被推向槽的一側(cè)而不能完全覆蓋底壁甚至發(fā)展為溪狀流、液態(tài)金屬表面不穩(wěn)定性引起的液滴濺射等，所有上述現(xiàn)象都已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但目前為止研究人員還沒有對(duì)其磁流體不穩(wěn)定性做深入而系統(tǒng)的研究并提出一種有效控制聚變堆強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下膜流流動(dòng)的方法。
[0004]由于磁約束聚變堆具有非常強(qiáng)的梯度磁場(chǎng)分布，特別是在偏濾器區(qū)域，其磁場(chǎng)變化較大，磁場(chǎng)的變化會(huì)引起膜流的磁流體不穩(wěn)定性及表面波不穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起液滴濺射出來(lái)，液態(tài)金屬進(jìn)入等離子區(qū)域會(huì)引起等離子體熄滅。因此需要給出一種能夠適應(yīng)任意梯度磁場(chǎng)變化的具有流動(dòng)穩(wěn)定性的液態(tài)金屬膜流系統(tǒng)，為液態(tài)偏濾器的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)和理論支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種建立聚變堆偏濾器流動(dòng)穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法，以克服上述問(wèn)題。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
[0007]—種建立聚變堆偏濾器流動(dòng)穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:找到液態(tài)金屬膜流穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)強(qiáng)度與傾斜角度的關(guān)系，通過(guò)改變膜流不同流動(dòng)距離處當(dāng)?shù)貎A斜角度適應(yīng)梯度磁場(chǎng)的變化，控制由梯度強(qiáng)磁場(chǎng)引起的磁流體不穩(wěn)定性，即采用曲面底壁的形狀來(lái)適應(yīng)梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的變化；
[0009]步驟二:利用在曲面底壁上方固定金屬網(wǎng)的方法，保證液態(tài)金屬沿曲率變化較大的曲面底壁流動(dòng)；
[0010]步驟三:通過(guò)調(diào)節(jié)不同流動(dòng)距離處金屬網(wǎng)孔的大小及其距曲面底壁的距離得到金屬網(wǎng)上穩(wěn)定的膜流流動(dòng)。
[0011 ] 所述步驟一中的曲面底壁曲率是連續(xù)變化的，且曲率的變化由梯度磁場(chǎng)的變化決定。
[0012]所述步驟二中的金屬網(wǎng)距曲面底壁的距離為2mm?15mm，金屬網(wǎng)可采用單層或多層金屬網(wǎng)疊加，金屬網(wǎng)的厚度為0.1mm?1mm。
[0013]所述步驟三中的金屬網(wǎng)上方的膜流是穩(wěn)定均勻流動(dòng)的，其膜厚為Imm?5mm。
[0014]本發(fā)明所取得的有益效果為:
[0015]本發(fā)明所述方法解決了磁場(chǎng)強(qiáng)度變化較大的梯度強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下液態(tài)金屬膜流的磁流體不穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)金屬網(wǎng)的輔助和調(diào)節(jié)作用可以適應(yīng)曲率變化較大的曲面，建立完整且穩(wěn)定流動(dòng)的曲面膜流系統(tǒng)，同時(shí)還可防止液態(tài)金屬的濺射。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是液態(tài)鋰膜流穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)強(qiáng)度與傾斜角度之間的關(guān)系；
[0017]圖2是如何改變膜流傾斜角度才能適應(yīng)梯度磁場(chǎng)的變化而得到穩(wěn)定的曲面膜流流動(dòng)；
[0018]圖3是由高磁場(chǎng)流向低磁場(chǎng)的液態(tài)鋰膜流控制其曲面磁流體流動(dòng)的示意圖；
[0019]圖4是由低磁場(chǎng)流向高磁場(chǎng)的液態(tài)鋰膜流控制其曲面磁流體流動(dòng)的示意圖；
[0020]圖5是帶金屬網(wǎng)的曲面膜流測(cè)試實(shí)驗(yàn)段；
[0021]圖6是應(yīng)該如何調(diào)節(jié)金屬網(wǎng)距底壁的距離才能夠得到穩(wěn)定的曲面膜流系統(tǒng)；
[0022]圖7是帶金屬網(wǎng)和不帶金屬網(wǎng)的曲面膜流磁流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明所述建立聚變堆偏濾器流動(dòng)穩(wěn)定性的液態(tài)曲面膜流系統(tǒng)的方法包括以下步驟:
[0025]步驟一:找到液態(tài)金屬膜流穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)強(qiáng)度與傾斜角度的關(guān)系，通過(guò)改變膜流不同流動(dòng)距離處當(dāng)?shù)貎A斜角度適應(yīng)梯度磁場(chǎng)的變化，控制由梯度強(qiáng)磁場(chǎng)引起的磁流體不穩(wěn)定性，即采用曲面底壁的形狀來(lái)適應(yīng)梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的變化；
[0026]步驟二:利用在曲面底壁上方固定金屬網(wǎng)的方法，保證液態(tài)金屬沿曲率變化較大的曲面底壁流動(dòng)；
[0027]步驟三:通過(guò)調(diào)節(jié)不同流動(dòng)距離處金屬網(wǎng)孔的大小及其距曲面底壁的距離得到金屬網(wǎng)上穩(wěn)定的膜流流動(dòng)；
[0028]所述步驟一中的曲面底壁曲率是連續(xù)變化的，且曲率的變化由梯度磁場(chǎng)的變化決定。
[0029]所述步驟二中的金屬網(wǎng)距曲面底壁的距離為2mm?15mm，金屬網(wǎng)可采用單層或多層金屬網(wǎng)疊加，金屬網(wǎng)的厚度為0.1mm?1mm。
[0030]所述步驟三中的金屬網(wǎng)上方的膜流是穩(wěn)定均勻流動(dòng)的，其膜厚為Imm?5mm。
[0031]流動(dòng)的液態(tài)金屬鋰用于磁約束聚變堆熱負(fù)荷最高的下偏濾器區(qū)域，流動(dòng)沿托卡馬克的極向。液態(tài)鋰在傾斜放置的敞口槽中流動(dòng)，