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《上海交通大学》 2017年
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液态锂与冷却剂相互作用爆炸特性实验研究

游曦鸣  
【摘要】:受控核聚变提供了一种潜在的、取之不尽的清洁能源,是解决人类未来能源问题的主要选择。在磁约束托卡马克装置中,其第一壁部件尤为关键。液态锂能够承受很高的中子通量和表面热负荷,可以显著改善等离子体性能,是未来聚变堆面向等离子体第一壁发展的可能重要途径。但是,在托卡马克装置中大规模应用液态锂也存在一定的安全风险,液态锂与冷却剂的相互作用是决定聚变反应堆液态锂应用安全性和可靠性的关键因素。由于高温液态锂与冷却剂相互作用过程复杂,关键物理过程及爆炸机理尚不明确,相互作用过程中的能量转化模型尚未建立,极大的制约了相关事故后果的分析评估。本文通过实验研究与理论分析相结合的方法,从安全设计和风险分析的角度,研究聚变装置事故情况下液态锂与冷却剂的相互作用,为流动液态锂应用的安全分析、事故预防及运行控制提供科学依据,主要研究内容与结论包括:(1)开展了锂液滴与冷却剂相互作用可视化实验,相互作用的典型现象包括爆炸压力峰值和化学反应压力峰值两个压力峰值,爆炸作用冲击波形成的机械载荷是装置结构完整性的重要威胁。实验研究了液态锂初始温度、冷却剂初始温度及液态锂初始质量等关键因素的影响,结果表明当液态锂的初始温度等于或大于300℃时,与冷却剂接触后保持着液态形式的金属锂能够发生细粒化作用,导致相互接触面积呈几何级数显著增大,最终形成剧烈爆炸作用,爆炸过程主要分为气膜形成、传播增殖、膨胀爆炸及液滴分散四个阶段。锂液滴的细粒化现象发生在传播增殖阶段,是导致剧烈爆炸的关键基础。(2)结合锂液滴与冷却剂相互作用实验结果,分别基于爆炸冲击波理论、BP神经网络以及遗传算法优化后的BP神经网络开展了锂液滴与冷却剂相互作用爆炸压力评估分析,研究了爆炸压力峰值与液态锂初始温度、冷却剂初始温度、液态锂初始质量等系统特征参数的关系,并与实验结果对比分析,验证了不同事故条件下液态锂与冷却剂相互作用爆炸强度快速评估方法的可行性和有效性。(3)在熔融金属与冷却剂相互作用蒸汽爆炸粗混合理论分析的基础上,对液态锂与冷却剂相互作用过程的化学反应及细粒化机理进行分析。化学反应产生的氢气高温下溶解在熔融液态锂中,锂液滴表面局部的快速冷却使热边界层中溶解的氢气过饱和,导致熔融锂液滴表面的热边界层内部增压,溶解的氢气快速释放使表面热边界层的液态锂细粒化,细小的锂微粒在高压气体的推动下被剥离,进入周围的汽水混合物中。细粒化作用形成的锂微粒使相互作用面积瞬间增大,快速化学反应释放的热量导致了能量释放量级的增加。物理爆炸作用为快速化学爆炸提供了反应条件,并最终形成了剧烈的爆炸作用。基于粗混合理论及锂液滴细粒化机理分析,建立了单位质量液态锂与冷却剂相互作用热-化学爆炸机械能释放模型,爆炸压力峰值计算结果和锂液滴与冷却剂相互作用实验结果符合较好,能够反映不同液态锂初始温度、液态锂初始质量、冷却剂初始温度下相互作用的能量释放及爆炸强度。(4)开展了锂液柱与冷却剂相互作用的验证实验,其爆炸规律和锂液滴与冷却剂相互作用的爆炸规律相一致,主要分为粗混合、气膜形成、传播增殖、膨胀爆炸及液滴分散五个阶段,但是更大规模的锂液柱实验的爆炸作用更加剧烈,爆炸压力峰值远远大于化学反应压力峰值。建立的热-化学爆炸机械能释放模型,与实验结果符合较好,能够从锂液滴与冷却剂相互作用实验外推到锂液柱与冷却剂相互作用实验,可以更有效的开展不同规模、不同事故条件下液态锂与冷却剂相互作用爆炸强度的评估,为大型的聚变装置安全评估和计算分析程序提供机理性模型。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TL631.24;O643.221

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【参考文献】
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