通道插件管道MHD效应初步实验结果

第29卷 第1期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理

V ol.29, No.1

2 0 0 9 年

3 月

Nuclear Fusion and Plasma Physics

March 2009

文章编号：0254-6086(2009)01-0006-04

收稿日期：2008−05−23；修订日期：2008–11−07 基金项目：国家自然科学自然基金资助项目(10775042)

作者简介：许增裕(1961–)，男，福建泉州人，研究员，1983年毕业于福州大学物理系，主要从事核聚变包层技术研究。

通道插件管道MHD 效应初步实验结果

许增裕，潘传杰，张秀杰，赵 丽，张 键，杨国骥

(核工业西南物理研究院，成都 610041)

摘 要：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。

关键词：液态包层；通道插件；MHD 效应

中图分类号：TL334 文献标识码：A

1 引言

液态金属包层因其运行压力低、系统简洁、氚提取容易等特点，被认为是国际热核实验堆(ITER)和下一步聚变商用示范堆(DEMO)最具竞争力的候选包层之一[1~4]，但它的磁流体动力学(MHD)压降和复杂的流速分布，尤其对于带通道插件(FCI)管道系统，仍然是一个有待解决的问题。人们希望通过FCI 材料的低电导、低热导和开孔或开槽平衡压力，使中心区流速高、边界区流速低从而大大降低MHD 压降，它是最近几年刚提出来的新概念，但结果会如何仍有待实验证实。目前，虽然对于带通道插件管道的MHD 效应有一些数值模拟和简化理论分析结果发表[5~7]，但实验结果仍未见报道。在此背景下，核工业西南物理研究院在新的液态金属回路上开展了液态金属包层实验，获得了带FCI 管道的MHD 效应的实验结果，并与现有的理论结果进行了比较。

2 实验描述

带FCI 管道在稳恒磁场中的位置如图1所示，管道是由304不锈钢(304SS)板制成的，壁厚t w2为：2mm ，其截面2a 2×2b 2为：68mm ×60mm(2a 2平行于磁场方向，2b 2垂直于磁场方向)，实验前对内外表面进行机械喷砂去除表面氧化层处理。FCI 是由环

氧树脂制成的，壁厚t w1也是2mm ，

其截面2a 1×2b 1为：54mm ×46mm 。液态包层中拟采用的是碳化硅-碳化硅复合材料，此材料刚侵入液态金属时近似绝缘材料，过一段时间之后由于液态金属进入材料孔隙，电导率会增加，而这种材料目前制造水平尚未能达到可供实验用材的要求，这也是目前未见FCI MHD 实验结果报道的制约因素之一，我们利用连续性原理，拟用完全绝缘和全导电的FCI 两种极端条件来进行实验研究，以克服目前开展这方面实验研究的技术限制，这从科学实验方法考虑是可行和有效的。FCI 与管道壁的间距d g 为5mm ，除流速分布测量探针(LEVI ，美国阿贡国立实验室提供)处孔径20mm 外(为了便于安装LEVI 探针)，FCI 上的其余压力平衡孔(PEH)直径为10mm ，差压传感器测量距离L 0为500mm 。

回路均匀磁场空间为80×170×740mm 3，最大均匀磁场B 0为2T ，液态金属介质为镓铟锡(Ga 68In 12Sn 20)合金，熔点12.7°C ，用于模拟未来堆用锂、锂-铅合金(Ga 68In 12Sn 20电导率与锂相近，比重与锂铅相近)，由于其室温为液态，便于实验操作和节省运行资金，这也是国际上通常采用的方法。实验运行时Ga 68In 12Sn 20被加热到85°C ，由电磁泵推动，其泵能力为5700kg·h –1，平均流速v 0由电磁流量计测量，误差<1.2%，MHD 压降由最小

第1期 许增裕等：通道插件管道MHD效应初步实验结果7

分辨为18.75Pa的差压传感器测得，误差<3％；管道截面中心线(y＝0)的流速v x(z)分布由LEVI测得，其误差好于1％。表征液态金属MHD效应的参数哈德曼数M=(电磁力/粘滞力)1/2≈aB0(σf/η)1/2，式中σf电导率，η粘滞系数，B0磁场强度；相互作用参数N=电磁力/惯性力=M2/Re≈aB02σf/(ρv0)，式中Re为雷诺数，ρ为流体密度，v0为平均流速[1]。聚变堆中M、N在103～105，本实验M~2400，N~10000。所有数据由带具有2.5μV分辨率的16位A/D板的计算机采集获得。

图1 带FCI管道处于稳恒磁场中的位置示意图

3 结果与讨论

管道截面中心线(y＝0)的流速分布v x(z)如图2所示。为了帮助我们理解和讨论流速分布的成因，FCI和304SS管道也在图中标出，可以看到v x(z)在不同的B0和v0条件下，在中心区靠近PEH处有两个峰，一个峰是正的，一个峰是负的，这意味着在靠近PEH处有旋流存在；边缘区靠近PEH处流速很低。这些与目前的数值模拟结果[5, 6]有较大的差别。稍后将分析这两个峰的成因。

MHD压降实验结果如图3所示。图中带FCI 的理论结果来自简化理论模型结果[7]，这里假定当σfci/σw<5%时，FCI就当作全绝缘处理，因为简化理论误差在20%左右，区分更小的电导率对结果产生的影响得出的结果并不正确。没有FCI管道的MHD压降理论值来自经典理论值[8](其理论值与实验结果比较一致)。可以看到带FCI管道MHD无量纲压降梯度比没有FCI管道的低3～5倍，而且B0越高，FCI降低MHD压降越有效。

图2 管道截面中心线(y＝0)上流速分布v x(z)的实验结果

图3 带FCI管道MHD压降实验与简化理论结果的比较

中心区域和边缘区域中平均流速(v c和v g)的实验结果如图4所示。平均流速v g数据分别来自电位ΔU O3-Q3的直接测量(遵循电磁感应定律)、MHD 压降测量(正常管道遵循的磁流体动力学经典理论)和FCI简化理论计算。中心区域平均流速v c是由测得的总平均流速与边沿区域平均流速，通过质量守恒定律得出。可以看到三种途径得到的结果基本相符。

图5是通过测量FCI内侧两边的电位ΔU A1-C1