聚变堆严重事故下氢气-钨粉尘-水蒸气-空气四元混合体系燃爆机理研究

Wet Bypass is the most severe accident condition to be considered in ITER safety analysis, and it is also an important problem to threaten the safety of future fusion reactors. In the case of Wet Bypass accident, the dust, deuterium and tritium can be mobilized by air and vapor at high speed, and then form a hydrogen-metal dust-vapor-air hybrid mixtures. Its combustion & explosion characteristics and detailed reaction mechanism are still unclear. This project aiming at the future fusion reactor environment, will choose two kinds of particle size of tungsten powder, 0.6 μm and 1.8 μm, to perform hybrid mixtures explosion experiment research in the improved 20L spherical explosive device. The pressure, the flame propagation speed and the explosion product microstructure under different experimental conditions will be obtained by using the measurement instruments such as the transient pressure measurement system, high-speed imaging system, scanning electron microscopy (SEM), etc. and then the detailed explosion reaction mechanism will be revealed. Based on the experimental results, a 3D numerical model will be established to accurately describe the combustion and explosion process of the hybrid mixtures. Through the combination of experiment and numerical simulation, the characteristics of flame propagation, explosion pressure, explosion flow field and their influencing factors in the hydrogen/dust hybrid mixtures containing vapor were quantitatively analyzed. The results of this project will provide important data support for the explosion suppression system design of China Fusion Engineering Test Reactor, and provide certain reference for the study of combustible gas/dust explosion in traditional industrial systems.

Wet Bypass是目前ITER安全分析中考虑的最严重事故工况，同时也是威胁未来聚变堆安全的重要问题。在该事故下，高速射入的水蒸气和空气会卷扬粉尘和氘氚燃料，继而形成氢气-金属粉尘-水蒸气-空气四元混合体系，其燃爆特性及反应机理尚不清楚。本项目针对未来聚变堆环境，拟选取0.6μm和1.8μm两种粒径的钨粉尘，在改进的20L球形爆炸装置中进行四元体系的爆炸实验，借助瞬态压力测量系统、高速成像系统、扫描电镜（SEM）等实验手段获取不同实验条件下混合物燃烧过程中的压力、火焰传播速度、爆炸产物微结构等数据，以揭示其反应机理。基于实验结果，建立能准确描述混合体系燃爆过程的三维数值模型。通过实验与数值模拟相结合，量化分析混合物的火焰传播规律、爆炸压力特性、爆炸流场特征及其影响因素。本项目研究成果将为我国聚变堆抑爆设计提供重要理论指导，同时也可为传统工业系统中可燃气体/粉尘混合爆炸研究提供一定参考。

氢气（氘和氚）及金属粉尘在事故下的输运和燃爆风险是聚变堆严重事故研究的重要课题。但是，国内外对于聚变堆氢气/粉尘爆炸的研究仍存在明显不足。本项目采用实验和数值模拟相结合的方法，全面研究了纯钨粉尘及多元混合物的燃爆特性。在实验方面，基于改造的20L球形爆炸装置，辅以5L密闭燃烧管装置，开展不同初始条件下（温度、真空度、点火能量、点火延迟时间、粉尘粒径、氢气/水蒸气浓度配比等）纯钨及混合体系的燃爆实验研究，获取爆炸强度参数、火焰传播速度以及火焰结构等实验数据；利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等分析手段对爆炸残留物进行检测分析，从而得到爆炸固相产物的成分、尺寸大小及表面形貌特征，结合其火焰传播规律和爆炸强度，建立了纯钨及混合体系燃爆的反应机理的物理图景。数值模拟方面，采用CFD-DPM方法建立三维数值模型，对20L球形爆炸实验的钨粉扬尘过程进行数值模拟，获得不同时刻下流速、湍动能、压力、温度等分布的变化规律，并与实验数据进行对比验证。然后将模型推广至聚变堆失真空事故（LOVA）和包层破口事故（LOCA）的数值模拟，成功捕捉了事故下马赫盘的形成与发展规律以及粉尘云的时空分布特征。本项目研究成果能够为聚变堆粉尘爆炸危害评估和抑爆系统设计提供重要理论指导和数据支持，同时也可为食品、冶金等传统工业系统中可燃气体/粉尘爆炸研究提供了一定的参考，具有一定的科学意义和工程价值。