液态锂与冷却剂及混凝土相互作用的风险研究

Liquid lithium is one of the important choices for plasma facing materials in magnetic fusion devices.The safety assessment includes interactions of liquid lithium with coolant,air and concrete under accident conditions concerning quantitative consequences.Currently,the interaction processe and detailed mechanisms are not yet clear and the corresponding physical process and mathematical model have not been established, which greatly restricts the quantitative analysis of accident consequences caused by liquid lithium. From the perspective of safety design and risk analysis, the research will study liquid lithium coolant interactions to elucidate the mechanism of hydrogen generation and energy conversion,establishing the physical and mathematical model for liquid lithium coolant interactions and will also study liquid lithium concrete interactions to elucidate the conditions of trigger and propagation for concrete ablation,establishing the physical and mathematical model for liquid lithium concrete interactions through theoretical and experimental methods.The models would provide technical support for large program of risk analysis in magnetic fusion devices and is of great significance for safety design of liquid lithium first wall, risk analysis of the accident and the selection of coolant for blanket in future fusion devices.

液态锂是聚变装置第一壁材料的重要选择之一，其安全评估涉及到事故条件下液态锂与冷却剂、空气和混凝土的相互作用及其定量的后果。目前其作用过程及详细机理尚不明确，相应的物理数学模型还未建立，这极大的制约了液态锂相关事故后果的定量分析。本项目通过实验研究与理论分析相结合，从安全设计和风险分析的角度，研究液态锂与冷却剂相互作用过程、阐明氢气产生及能量转换机制、建立液态锂与冷却剂相互作用物理数学模型，研究液态锂与混凝土相互作用过程、解明混凝土消融的触发及传播条件、建立液态锂与混凝土作用物理数学模型，为大型的聚变装置安全分析程序提供技术支持，对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计、风险分析及包层冷却方案的选择具有重要意义。

在托卡马克装置中大规模应用液态锂时，事故工况下化学性质活泼的液态锂可能与冷却剂、混凝土及空气接触，发生剧烈的物理化学作用，威胁装置的安全。液态锂与冷却剂、混凝土及空气的相互作用机制尚不明确，相关数学物理模型尚未建立，极大地制约了液态锂应用相关的安全分析。本项目从安全设计和风险分析的角度，开展实验研究与理论分析，采用锂液滴可视化观测实验和锂液柱承压验证实验相结合的方法，开展了克量级到几十克量级不同规模的实验研究，涵盖了聚变装置中不同事故条件下液态锂与冷却剂相互作用的基本现象及压力峰值典型特征，提出了熔融锂液滴细粒化机理，即“氢气扩散—热边界层形成—表面细粒化”的发展路线，解明了液态锂与冷却剂相互作用的热量传递和能量释放机制。建立了液态锂与冷却剂相互作用热-化学爆炸能量转化模型，解明了相互作用过程的能量转化规律，研究了不同液态锂温度、液态锂质量、冷却剂温度下相互作用的能量释放及爆炸强度，可开展不同规模、不同事故条件下液态锂与冷却剂相互作用机械载荷的分析及相关事故后果的评估。通过液态锂与冷却剂相互作用实验研究了氢气产生规律，液态锂质量、冷却剂温度对产氢速率有显著影响，其结果对氢气风险的预防和控制有重要意义。基于实验研究了液态锂温度对液态锂与混凝土相互作用过程的影响，分析了高温液态锂在混凝土表面造成消融现象的温度条件，以及液态锂温度对混凝土最大消融深度和混凝土平均消融速率的作用。基于点燃现象的实验研究表明，当液态锂温度高于400℃时，与空气氧化反应产生的热量大于液态锂向周围环境散失的热量，局部的液态锂温度迅速升高，液态锂能够在常温的空气中发生点燃。本项目的研究对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计具有重要意义，能够为液态锂应用的风险分析、事故预防及运行环境控制都提供科学依据。