强磁场大电流作用下液态金属自由表面飞溅和传热研究

Energy shortage and environmental pollution are common problems in the world today. Controlled nuclear fusion is one of the most important ways which can solve human energy and environmental problems. In Tokamak fusion device, the development of appropriate plasma facing material is considered to be one of the great science challenges. The project is aimed at the possible application of liquid lithium wall in future fusion reactor and in-depth study to carry out key issues surrounding the liquid lithium as fusion reactor first wall material. We have carried out many years basic researches and technology reserves in the numerical method of metal fluid MHD effect and software platform. The development of compatible conservation scheme solved the world difficult problems to accurately simulate the MHD effect of liquid metal in a strong magnetic field. The project combines numerical simulation and experimental research of liquid metal in a strong magnetic field and high current (simulation of plasma current) to research MHD splash phenomenon and reveal the mechanism of influence of the MHD effect of the flow and heat transfer process. To develop the technology of preventing the liquid metal spattering and explore effective ways to overcome the liquid metal MHD influence to form large area uniform liquid film in the strong magnetic field conditions is a main task in the project. The study of the problem of liquid lithium wall have important values in theory and application for safe operation of future liquid lithium wall fusion reactor.

能源短缺和环境污染是当今世界共同面临的难题，受控核聚变是最终解决人类能源及环境问题的重要的途径之一，其中发展合适的面对等离子体材料被认为是其中的巨大挑战之一。本项目针对液态锂壁在聚变堆的应用，围绕液态锂作为聚变堆第一壁的关键问题开展深入研究。在金属流体MHD效应的数值方法发展及软件平台的建设上我们有多年的研究基础和技术储备，发展的相容守恒格式解决了强磁场作用下精确模拟MHD效应的世界难题。本项目基于课题组发展的数值模拟方法和实验研究相结合，深入研究液态金属在强磁场大电流（模拟等离子体电流）下的自由表面MHD飞溅现象，揭示MHD效应下的流动与传热过程影响机理，发展防止液态金属飞溅相关的技术，探索克服液态金属自由表面MHD飞溅并使液态金属在强磁场条件下形成大面积、稳定均匀自由表面的有效方法和技术手段，该问题的深入研究对探索液态锂壁在聚变堆的应用及保证液态锂壁的安全运行具有重要理论与应用价值。

能源短缺和环境污染是当今世界共同面临的难题，受控核聚变通过利用氢的同位素氘和氚进行聚变反应产生氦和中子，同时释放出大量的能量，能够提供一种潜在的、取之不尽的清洁能源，受控核聚变是最终解决人类能源及环境问题的最重要的途径之一。国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划的联合实验是朝着实现可控核聚变目标努力的国际合作项目，该聚变反应堆是从高温到低温、高压到高真空、强电流与强磁场作用下的极度复杂的高技术系统，聚变堆第一壁采用流动的液态金属表面能承受更高通量的中子辐照和表面热负荷，流动液态金属表面对于稳态运行的核聚变装置都具有重大意义，可以解决大部分未来聚变堆所面临的难题。.针对多场耦合下的聚变堆第一壁液态金属，本项目发展了液态金属MHD测量技术，探索了多种 Tokamak 装置上液态技术MHD效应下的实验测量技术，包括磁场作用下不透光金属流体的UDP超声测速技术、红外测温技术、激光自由表面厚度测试技术及液滴飞溅高速摄像探测技术， .通过对等离子体和面向等离子体部件的相互作用进行深入调研后，设计完成了液态金属自由表面飞溅实验系统，在磁场和电场的共同作用下，通过高速摄像机观察到了液态金属的自由表面飞溅现象，实验研究了液态金属自由表面外加大电流时在强磁场中 MHD 飞溅现象，研究了不同的电流强度与方向（模拟等离子体电流）在强磁场作用下对液态金属自由表面飞溅现象的影响，发展了数值模拟液态金属自由表面飞溅现象的模型及方法。 .本项目实验研究了液滴撞击恒温液膜在强磁场中 MHD 行为，研究了强磁场作用下对液滴撞击液膜的影响，发展了数值模拟液滴撞击恒温液膜的模型及方法。.在理论分析、数值分析和实验研究的基础上，发展了防止液态金属MHD飞溅并使液态金属在强磁场条件下形成大面积、稳定均匀液膜的有效方法和技术手段，包括防止液态金属自由表面飞溅的两种控制方法与技术手段，申请并获得授权了面向等离子体部件的抑制结构和流动结构，为液态金属在未来聚变堆第一壁的应用奠定了基础。