液态高温包层多层流道插件内的锂铅磁流体流动与传热特性研究

多层流道插件液态包层设计是目前液态锂铅高温包层广泛采用的一种设计方案，基于较为成熟的材料技术，能够把高温包层的设计方案提前实现。由于液态金属锂铅在包层内多层流道插件之间流动，在聚变强磁场环境下会导致较大的流动阻力和流动不稳定性，影响锂铅的传热和包层结构的安全。本项目从磁流体理论分析和三维数值模拟出发，研究聚变磁场下锂铅感应电流的行为特征，探索磁流体在多层流道内的流动机制，了解插件的不同性能参数与锂铅流动的磁流体压力降和三维不均匀流场的内在规律及对传热的影响。结合实验测试分析，获得锂铅在多层插件管道内的三维磁流体速度场、温度场和压力场的分布。本项目的完成为锂铅高温包层的热工水力学参数设计优化提供重要的指导意义，为包层插件材料选择和结构设计提供物理基础，同时在学术上将丰富磁流体在插件管道内的流动理论和传热机制。

本项目针对液态金属锂铅包层流道多层插件内的冷却剂在聚变强磁场环境下的热工水力学特性的关键问题，利用理论分析、数值模拟以及实验测量等不同方法开展了液态金属锂铅磁流体的流动和传热特性研究。首先研究锂铅磁流体在聚变磁场下感应电流的行为特征，探索磁流体在多层流道内的流动机制，了解插件的不同导电性能参数、不同形状、不同压力平衡槽开孔位置等对锂铅流动的磁流体压力降和流量分配的影响。找出最小流动压力降和最小内外压差的插件方案合理设计，给出了插件不同导电性能对压降变化的影响规律，给出了插件材料电导率选择的合理窗口，尤其分析了多层插件流道内液态金属锂铅流动的速度场及压力场特征，并发现了插件流道内存在电磁耦合现象，以及电磁耦合现象对速度场及压力场的进一步影响。实验方面，开展了MHD实验段设计建造与测量技术探索，基于项目组早期的高温锂铅回路，完成了MHD实验段的设计，确定了压力、速度和温度的测量方案，采用超声波多普勒技术测量速度、热电偶测量温度、压力传感器测量压降等手段，开展数据测量和采集工作。本项目的完成为锂铅高温包层的热工水力学参数设计优化提供重要的指导意义，为包层插件材料选择和结构设计提供了物理基础。