液态锂膜流在限制器/偏滤器表面的铺展和磁流体力学特性研究

Liquid lithium film flow is viewed as one of the most promising possibilities for the design of the limiter/divertor component in the Tokamak device, because it is able to sustain the high surface heat loading and to remove the plasma impurities, both characteristics are very important in maintaining the Tokmak device smoothly running. Nevertheless, available researches show that it is very difficult to obtain a fully and stabilized spreading film flow on the surface of limiter/divertor because of the hydrophobicity of the liquid lithium. As a consequence, the spreading problem of the liquid lithium, the stability of the film and the influences of the external magnetic fields on this type of flow require more investigations, covering the fundamental and application researches. For the high cost of conducting experiments in the realistic Tokamak device, the present program aims to set up a similar experimental environment in our lab in line with the requirement of the EAST fusion deice, and then the performance of the liquid lithium film flow will be investigated under such circumstance. Specifically, a visualization platform will be constructed to study the liquid lithium limiter/divertor, and the surface structures, the electrical conductivities, and the type of the thin film generator of the test section will be investigated, in order to realize a fully spread liquid lithium film flow on the limiter/divertor. Furthermore, the direct numerical simulations will be also conducted to study the magnetohydrodynamics influence on the liquid lithium flows, to compensate the shortness of the experimental study, i.e. the opaque of the liquid metal, and more detailed flow structures will be presented to detect the hidden behind physical mechanisms for the influential factors on the spreading of the film flow.

液态锂膜流限制器/偏滤器因为能够承受高的表面热负荷、移除等离子杂质，被认为是满足未来磁约束聚变堆高功率、常态运行要求最有可能应用的第一壁组件。然而目前文献显示，在限制器/偏滤器表面实现完全铺展、稳定流动的液态锂膜非常困难，液态锂膜的铺展问题、流动稳定性问题、以及强磁场环境导致的磁流体动力学问题等都需要进行大量的基础和应用研究。鉴于在托卡马克环境中直接测试限制器与偏滤器上锂膜流动特性的成本高昂、测量手段有限，本课题拟按照我国EAST磁约束聚变装置的接口和要求，在实验室内搭建可视化实验平台，设计并测试液态锂膜流限制器/偏滤器，研究其表面结构、导电性、液膜发生器形式等，实现全覆盖、稳定流动的液态锂膜流限制器/偏滤器。同时结合数值模拟方法，分析EAST磁场环境对液态锂膜流的磁流体动力学影响。实验方法和数值模拟方法相结合，探索实现可真正应用于托卡马克装置的液态锂膜流限制器/偏滤器。

实现液态锂膜在限制器或偏滤器表面完全覆盖并稳定流动是托卡马克装置对液态锂膜流限制器或偏滤器的基本要求。在本次基金资助下，本项目主要完成了以下两项工作：.首先，本项目在实验室环境中搭建了一套电磁驱动的液态锂膜流动研究平台，该平台使用最大2T的外部水平磁场模拟托卡马克的磁场环境，然后使用最大400A的直流电源对锂液加电产生电磁驱动力。平台内部模拟托卡马克高真空环境，可将限制器/偏滤器加热至最高350℃进行锂膜流实验，锂液从被测限制器表面流下后，可在平台正面或顶部通过观察窗直接观测锂膜流动状态。基于该限制器测试平台，设计了双通路液态锂限制器，限制器采用双循环管路对两层锂膜发生器进行独立供锂，锂膜发生器采用“分锂器+水平储锂槽+出锂口”的三重结构提高膜流出口的展向均匀性。最后进行膜流流动测试实验，实验结果表明，小流量锂膜很难在限制器表面实现完全铺展，但电磁驱动方式无法提供足够大的驱动力形成大流量锂膜流。另外，实验发现，锂液在洁净的不锈钢表面会产生较大的表面张力，铺展困难；在经过锂液浸润过的部分表面张力较小，容易铺展。因此对限制器表面进行锂液预浸润是改善锂膜铺展性能的有效方法。.其次，本项目搭建了一套氩气驱动液态锂膜流动研究平台，该平台利用高压氩气和真空之间的压差驱动锂液流动，可以产生大的锂液流量进行膜流实验。实验台增加了雷达液位计用于测量并计算锂液流量，设计了多角度观察窗对锂膜流动状态进行观测。该平台真空环境和加热系统与电磁力驱动平台相同。基于该测试平台，设计了一台单通路液态锂限制器，该限制器将“分锂器+水平储锂槽+出锂口”集为一体并将加热元件布置进去，保证了整个液膜发生器的温度均匀性。最后，优化限制器表面结构后对该限制器进行锂膜流动测试，实验结果发现：限制器表面的锂浸润是实现锂膜铺展的必要条件，本次实验采用高速锂射流冲刷的方式对限制器底板进行锂浸润，完成锂浸润的限制器(宽度300mm)可在流量0.32~1.59 m3/s的范围内实现完全铺展的锂膜流动。另外，长时间的放置（21天、氩气环境）会对限制器表面的锂产生氧化，锂膜在限制器在边缘位置和一些氧化严重点无法再次实现铺展流动。.该项目通过实验研究了液态锂膜在限制器底板上的铺展性能，实现了完全铺展的液态锂膜流动，对设计液态锂膜限制器或偏滤器提供了工艺经验的技术参考。项目发表学术论文2篇(SCI 1篇)。