強磁場大電流作用下液態金屬自由表面飛濺和傳熱研究

《強磁場大電流作用下液態金屬自由表面飛濺和傳熱研究》是依託中國科學院大學，由王增輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場大電流作用下液態金屬自由表面飛濺和傳熱研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王增輝
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

能源短缺和環境污染是當今世界共同面臨的難題，受控核聚變是最終解決人類能源及環境問題的重要的途徑之一，其中發展合適的面對電漿材料被認為是其中的巨大挑戰之一。本項目針對液態鋰壁在聚變堆的套用，圍繞液態鋰作為聚變堆第一壁的關鍵問題開展深入研究。在金屬流體MHD效應的數值方法發展及軟體平台的建設上我們有多年的研究基礎和技術儲備，發展的相容守恆格式解決了強磁場作用下精確模擬MHD效應的世界難題。本項目基於課題組發展的數值模擬方法和實驗研究相結合，深入研究液態金屬在強磁場大電流（模擬電漿電流）下的自由表面MHD飛濺現象，揭示MHD效應下的流動與傳熱過程影響機理，發展防止液態金屬飛濺相關的技術，探索克服液態金屬自由表面MHD飛濺並使液態金屬在強磁場條件下形成大面積、穩定均勻自由表面的有效方法和技術手段，該問題的深入研究對探索液態鋰壁在聚變堆的套用及保證液態鋰壁的安全運行具有重要理論與套用價值。

結題摘要

能源短缺和環境污染是當今世界共同面臨的難題，受控核聚變通過利用氫的同位素氘和氚進行聚變反應產生氦和中子，同時釋放出大量的能量，能夠提供一種潛在的、取之不盡的清潔能源，受控核聚變是最終解決人類能源及環境問題的最重要的途徑之一。國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計畫的聯合實驗是朝著實現可控核聚變目標努力的國際合作項目，該聚變反應堆是從高溫到低溫、高壓到高真空、強電流與強磁場作用下的極度複雜的高技術系統，聚變堆第一壁採用流動的液態金屬表面能承受更高通量的中子輻照和表面熱負荷，流動液態金屬表面對於穩態運行的核聚變裝置都具有重大意義，可以解決大部分未來聚變堆所面臨的難題。 針對多場耦合下的聚變堆第一壁液態金屬，本項目發展了液態金屬MHD測量技術，探索了多種 Tokamak 裝置上液態技術MHD效應下的實驗測量技術，包括磁場作用下不透光金屬流體的UDP超聲測速技術、紅外測溫技術、雷射自由表面厚度測試技術及液滴飛濺高速攝像探測技術， 通過對電漿和面向電漿部件的相互作用進行深入調研後，設計完成了液態金屬自由表面飛濺實驗系統，在磁場和電場的共同作用下，通過高速攝像機觀察到了液態金屬的自由表面飛濺現象，實驗研究了液態金屬自由表面外加大電流時在強磁場中 MHD 飛濺現象，研究了不同的電流強度與方向（模擬電漿電流）在強磁場作用下對液態金屬自由表面飛濺現象的影響，發展了數值模擬液態金屬自由表面飛濺現象的模型及方法。 本項目實驗研究了液滴撞擊恆溫液膜在強磁場中 MHD 行為，研究了強磁場作用下對液滴撞擊液膜的影響，發展了數值模擬液滴撞擊恆溫液膜的模型及方法。 在理論分析、數值分析和實驗研究的基礎上，發展了防止液態金屬MHD飛濺並使液態金屬在強磁場條件下形成大面積、穩定均勻液膜的有效方法和技術手段，包括防止液態金屬自由表面飛濺的兩種控制方法與技術手段，申請並獲得授權了面向電漿部件的抑制結構和流動結構，為液態金屬在未來聚變堆第一壁的套用奠定了基礎。