Li4SiO4球床內(nèi)氣體流動(dòng)及熱-力行為研究.pdf

1、作為聚變堆的核心功能部件，聚變包層承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)高效核-熱轉(zhuǎn)換及氚自持的重任。按照氚增殖劑形態(tài)，聚變堆氚增殖包層可分為液態(tài)包層和固態(tài)包層兩種形式。固態(tài)包層由于其較好的材料相容性、熱穩(wěn)定性以及無磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是聚變堆包層的重要候選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之一。由于面臨較高的破碎風(fēng)險(xiǎn)及難以預(yù)測(cè)的界面接觸，固態(tài)包層增殖劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從早期燒結(jié)的塊狀或者柱狀結(jié)構(gòu)形式逐漸演變?yōu)樵鲋硠┣虼步Y(jié)構(gòu)形式。我國(guó)ITER-TBM氚增殖區(qū)采用氦氣冷卻的正硅酸鋰

2、(Li4SiO4)球床填充結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Li4SiO4球床安全、穩(wěn)定地運(yùn)行將直接影響該包層核熱轉(zhuǎn)換及氚增殖比。Li4SiO4球床在聚變巾子輻照下產(chǎn)生的熱量由高壓冷卻氦氣載出發(fā)電，同時(shí)增殖的氚由低壓氦氣載出以維持聚變堆氚自持。由于聚變堆內(nèi)嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境及球床特殊的離散堆積結(jié)構(gòu)，Li4SiO4球床內(nèi)載氣流動(dòng)及熱-力行為異常復(fù)雜。從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)際上針對(duì)陶瓷增殖劑球床內(nèi)載氣流動(dòng)特性及熱力性能開展了廣泛的實(shí)驗(yàn)及理論研究，但目前還未能透徹認(rèn)

3、識(shí)上述行為特性及機(jī)理。
　　為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)Li4SiO4球床內(nèi)氣體流動(dòng)及熱-力行為特性，本文利用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的研究思路，對(duì)影響上述行為特性的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與分析。模擬部分，采用離散單元法(DEM)實(shí)現(xiàn)球床堆積結(jié)構(gòu)及循環(huán)單向壓縮力學(xué)性能測(cè)試;使用離散元結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法實(shí)現(xiàn)球床內(nèi)載氣流動(dòng)以及組分混合輸運(yùn)過程模擬。實(shí)驗(yàn)部分，通過自研陶瓷增殖劑球床熱力耦合性能測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)陶瓷增殖劑球床等效導(dǎo)熱系數(shù)及在單

4、向壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)下的整體應(yīng)力-應(yīng)變行為響應(yīng)特性測(cè)量;同時(shí)采用顯微電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的Li4SiO4顆粒微觀形貌特征進(jìn)行觀測(cè)。
　　基于DEM-CFD數(shù)值模擬方法，隨機(jī)填充球床結(jié)構(gòu)由DEM生成并采用徑向孔隙率分布驗(yàn)證其模型有效性，劃分網(wǎng)格后采用CFD計(jì)算分析得到球床內(nèi)顆粒間隙間氣體流動(dòng)特性。計(jì)算獲得球床內(nèi)吹掃氣體徑向流速分布與孔隙率震蕩衰減波動(dòng)規(guī)律一致，不同入口流速下(0.05～0.2 m/s)流速歸一化分布相同。近壁面區(qū)域存在流速極大值

5、，當(dāng)球床無量綱尺寸小于20時(shí)，壁面漏流現(xiàn)象嚴(yán)重。吹掃氣體在流向方向上的壓降可由Blake-Kozeny關(guān)系式較好的預(yù)測(cè)。球床內(nèi)增殖的氚能夠迅速的被吹掃氦氣載出，近壁面吹掃效率更高;在球床內(nèi)顆粒無破損情況下，球床內(nèi)不存在氚滯留現(xiàn)象。
　　為了描述球床內(nèi)部詳細(xì)的結(jié)構(gòu)及接觸力學(xué)行為特征，本文基于伺服控制機(jī)理，建立了Li4SiO4球床循環(huán)單向壓縮試驗(yàn)離散元模擬方法，循環(huán)加載目標(biāo)壓力為2 MPa至6 MPa。模擬得到球床內(nèi)顆粒接觸應(yīng)力在不同

6、的外力約束下存在類似的歸一化概率密度分布，平均接觸力隨外力加載提高而增大。在循環(huán)加載-卸載實(shí)驗(yàn)中，球床填充密實(shí)度提高，內(nèi)部顆粒接觸應(yīng)力有所緩解，球床應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)高度非線性。Li4SiO4顆粒屬性對(duì)球床填充及接觸力學(xué)影響明顯，顆粒尺寸分布有利于球床填充密實(shí)度并緩解球床內(nèi)應(yīng)力;而較低的球形度和較高的表面摩擦系數(shù)對(duì)球床填充密實(shí)度及內(nèi)應(yīng)力緩解均存在不利的影響。通過顆?？s徑及分割的方法進(jìn)行球床內(nèi)顆粒粉化及破碎模擬，計(jì)算得到較低的顆粒粉化率及破碎

7、率即可造成球床填充結(jié)構(gòu)及顆粒力學(xué)行為的明顯變化。
　　根據(jù)上述模擬結(jié)果，本文設(shè)計(jì)搭建了一套氚增殖劑球床熱力耦合實(shí)驗(yàn)裝置。通過結(jié)合穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量與單向壓縮力學(xué)測(cè)試方法，針對(duì)Li4SiO4球床密實(shí)填充、熱力蠕變響應(yīng)、等效導(dǎo)熱系數(shù)等特性進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)，球床實(shí)驗(yàn)溫度為20～700℃，單向壓縮力學(xué)強(qiáng)度為1～5 MPa。在常溫循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)下，Li4SiO4球床在各自壓力下存在有限的密實(shí)化行為;而當(dāng)球床處于550℃平均溫度時(shí)，隨外力加載循環(huán)

8、次數(shù)增加，Li4SiO4球床發(fā)生的不可逆蠕變形變較難停止。隨著加載壓力提升，Li4SiO4球床整體塑性形變?cè)黾印崃︸詈蠈?shí)驗(yàn)后，Li4SiO4球床尤其是在靠近加載壓頭的區(qū)域的填充因子獲得很大提高，Li4SiO4球床等效導(dǎo)熱系數(shù)隨球床填充因子及其平均溫度提高而增大。相比于實(shí)驗(yàn)前規(guī)則、光滑的Li4SiO4顆粒形貌，熱力耦合實(shí)驗(yàn)后的Li4SiO4顆粒燒結(jié)、粉化現(xiàn)象突出。某些顆粒表面覆蓋熔融析出物阻礙顆粒表面釋氚孔隙，并且顆粒間接觸區(qū)域存在粘連