一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构及使用方法

技术领域

本发明涉及聚变堆液态包层流量控制技术领域，具体涉及一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构及使用方法。

背景技术

包层是聚变反应堆中环绕等离子体的关键部件，主要功能有产氚、能量提取和辐射屏蔽等。其中液态包层具有高氚增值率、高热转换效率、结构简单及运行压力低等优点，而被作为未来聚变堆包层的主要候选方案。

液态包层的氚增值材料为锂或含锂的液体，如锂铅合金(PbLi)，氟锂铍(FLiBe)等。在强磁场环境下，包层管道内导电流动介质与外加强磁场相互作用产生的洛伦兹力，将对液态金属流动特性产生显著影响，表现为非常强的磁流体动力学(MHD)效应，并导致管道内流量分配规律发生极大改变。

在聚变对液态包层设计中，复杂的流量分配结构可将液态金属分配到包层的不同位置，以冷却包层组件和提高氚增殖效率，其中较为普遍的为具有总管及分支管的流量分配结构(如图1所示)，此结构设计最重要的目的是实现各分支管内均匀的流量分配，但由于液态金属MHD效应，处于第3级的分支管内流量分配不均匀，进而导致部分管道中产生难以控制的过热现象。在具有高场强和长极向流道长度的磁约束聚变反应堆中，此问题尤为严重。如在国际热核聚变实验堆(ITER)中，包层中冷却段长度约为25米，磁感应强度超过12T，会出现上述因MHD效应导致的不同管道液态金属流量分配不均匀的现象，不同分支管中的流量不均匀对液态包层的工程应用将产生不利影响。综上所述，设计出一种使液态包层流量均匀分配的流道结构对核聚变堆的工程应用具有重要意义。

目前液态包层中用于流量分配的分支管道设计多为矩形管，当其处于不同方向的强磁场环境下时，每个分支管道内的流量会出现较大的差异，尤其是导电流道，如图2所示，从每个分支管道内的流量占比可以看出，此分支管道的流量分配不均匀，中间管道流量较两侧管道高出约13％。在磁流体力学中，将垂直于磁场的管壁称为哈特曼壁，其附近的边界层称为哈特曼层，平行于磁场的管壁称为侧壁，其附近的边界层称为侧层。在侧层处，液态包层中的导电介质与外加磁场相互作用产生的洛伦兹阻力较小，在此区域会产生大于平均流速几倍，甚至几十倍的射流，如图3所示，而各分支管内射流值差异较大，这是导致矩形分支管道内流量分配不均匀的根本原因。

综上所述，目前的流道结构存在聚变堆液态包层在每个分支管道内的流量有较大的差异，分配不均匀，对液态包层的工程应用产生不利影响的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的流道结构存在每个分支管道内的流量有较大的差异，分配不均匀，对液态包层的工程应用产生不利影响的问题，目的在于提供一种用于聚变堆包层使液态金属均匀分配的流道结构及使用方法，解决了目前的流道结构存在每个分支管道内的流量有较大的差异，分配不均匀，对液态包层的工程应用产生不利影响的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本申请提出一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构，由三级分支圆形管道组成，三级分支管道相互连通；第一级分支管道和第二级分支管道均为一根管道，且第一级分支管道的内径小于第二级分支管道的内径；第三级分支管道由多根尺寸相同的小管道组成并连接在第二级分支管道上；所述第一级分支管道上设置进口，第三级分支管道上设置出口。

该流道结构能够均匀分配液态金属的流量，在磁约束核聚变反应堆装置的不同位置，外加磁场方向以及强度均有所不同，但该流道结构可放置于包层任意位置，流量分配规律不受外加磁场方向及磁感应强度、进口流速、管壁导电率的影响，能够实现在第三级分支管道的各分支管内流量的均匀分配，避免对液态包层的工程应用产生不利影响；而且该流道结构简单，易于加工，生产成本低。

其工作原理为：圆形管道在侧层附近不会产生较大的射流，且随着磁场强度的增加射流值变化不明显，不会出现类似导电矩形管道内大于平均流速几倍，甚至几十倍的射流，另外，由于圆管拓扑结构的对称性，在外加磁场方向变化的情况下，也不会影响各圆形分支管道内流量分配的均匀性，在磁约束核聚变反应堆装置的任意位置放置该流道结构均可实现第三级分支管道内流量的均匀分配。

进一步的，所述第三级分支管道的数量包括四根。

第三级分支管道设置为多根，可以是四根，也可以是五根、六根等，具体的根数根据管道的实际尺寸和工艺的实际需要进行确定。

进一步的，所述第一级分支管道、第二级分支管道和第三级分支管道的管壁使用的材料包括铁素体钢，如马氏体钢(RAFM)等。也可以是其他的绝缘材料或导电材料。

进一步的，所述第一级分支管道的内径满足的关系为：D1＝d，其管道的长度L1满足的关系为：L1≥1.5d。

进一步的，所述第二级分支管道为第一级分支管道的突扩管，所述第二级分支管道的内径满足的关系为：D2＝5d，其管道长度L2满足的关系为：d≤L2≤5d。

进一步的，所述第三级分支管道为液态金属流量分配管，所述第三级分支管道的内径满足的关系为：0.8d≤D3≤1.2d，其管道长度L3满足的关系为：L3≥5d。

根据换热和产氚需求，以及聚变堆液态包层的空间结构，首先确定第三级分支管道的内径大小以及长度，从而设计出第二级分支管道的内径，第一级分支管道的内径和长度根据前端管道的实际情况设计。

第二方面，本申请提出一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的使用方法，将液态金属以初始流速进入第一级分支管道，流经第二级分支管道后进入到第三级分支管道中。

进一步的，所述液态金属包括锂或含锂的合金。

进一步的，所述液态金属在所述第一级分支管道的进口处的流速为0.001m/s～5m/s。

进一步的，使用时，在流道结构外加磁感应强度为0T～15T的磁场。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

该流道结构能够均匀分配液态金属的流量，在磁约束核聚变反应堆装置的不同位置，外加磁场方向以及强度均有所不同，但该流道结构可放置于包层任意位置，流量分配规律不受外加磁场方向及强度、进口流速、管壁导电率地影响，能够实现在第三级分支管道的各分支管内流量地均匀分配，避免对液态包层的工程应用产生不利影响；而且该流道结构简单，易于加工，生产成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为现有技术中具有三级分支管的流道结构的三维示意图；

图2为现有技术中具有三级分支管的流道结构的第三级分支管中每一个支管流量占总流量的比例图；

图3为现有技术中具有三级分支管的流道结构的第二级分支管内的射流分布图；

图4为本发明中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的三维示意图；

图5为本发明中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的主视图；

图6为本发明中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的俯视图；

图7为本发明实施例1中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第二级分支管内的射流分布图；

图8为本发明实施例1中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第三级分支管中每一个支管的流量占总流量的比例图；

图9为本发明实施例2中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第二级分支管内的射流分布图；

图10为本发明实施例4中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第二级分支管内的射流分布图；

图11为本发明实施例5中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第二级分支管内的射流分布图；

图12为本发明实施例6中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第二级分支管内的射流分布图；

图13为本发明实施例7中一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构的第二级分支管内的射流分布图。

附图中标记及对应的零部件名称：

01-进口，02-第一级分支管道，03-第二级分支管道，04-第三级分支管道，05-出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，接或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图4、图5、图6所示，该实施例提供一种用于聚变堆包层流量均匀分配的流道结构，由三级分支圆形管道组成，三级分支管道相互连通；第一级分支管道02和第二级分支管道03均为一根管道，且第一级分支管道02的内径小于第二级分支管道03的内径；第三级分支管道04由四根尺寸相同的小管道组成并连接在第二级分支管道03上；第一级分支管道02上设置进口01，第三级分支管道04上设置出口05；三级分支管道均采用铁素体钢(RAFM)作为管壁材料。

具体的，第一级分支管道02的内径为16mm，长度为40mm；第二级分支管道03的内径为88mm，长度为30mm；第三级分支管道的内径为26mm，长度为150mm；第一级分支管道02、第二级分支管道03、第三级分支管道04的壁面厚度均为2mm。

上述流道结构的使用方法为：外加磁场强度为10T。液态金属LiPb合金以初始流速1m/s通过进口01进入到第一级分支管道02中，然后依次进入第二级分支管道03、第三级分支管道04，在四根第三级分支管道04中进行流量分配。如图7所示，每根第三级分支管道04中的流量占总流量的比例均为25％左右，即得到了均匀的流量分配。如图6所示，第二级分支管道03内的射流值约为平均流速的1.06倍，说明侧层处和中心区域的流速基本一致，此值远小于矩形管道。如图1、图2、图3所示，现有的流道结构中三根第三级分支管中的流量是不相同的，位于中间的第三级分支管中的流量比两侧的第三级分支管的流量高出约13％，明显不存在分配不均匀的问题。而本申请中的流道结构中四根第三级分支管中的流量基本上均为25％，分配均匀，因此本申请的流道结构解决了聚变堆液态包层分配不均匀的问题。

圆形管道在侧层附近不会产生较大的射流，且随着磁场强度的增加射流值变化不明显，不会出现类似导电矩形管道内大于平均流速几倍，甚至几十倍的射流，另外，由于圆管拓扑结构的对称性，在外加磁场方向变化的情况下，也不会影响各圆形分支管道内流量分配的均匀性，在磁约束核聚变反应堆装置的任意位置放置该流道结构均可实现第三级分支管道04内流量地均匀分配。

该流道结构能够均匀分配液态金属的流量，在磁约束核聚变反应堆装置的不同位置，外加磁场方向以及强度均有所不同，但该流道结构可放置于包层任意位置，流量分配规律不受外加磁场方向及强度、进口01流速、管壁导电率的影响，能够实现在第三级分支管道04的各分支管内流量的均匀分配，避免对液态包层的工程应用产生不利影响；而且该流道结构简单，易于加工，生产成本低。

实施例2

基于实施例1，该实施例与实施例1的不同之处在于：该实施例中第一级分支管道02的内径为16mm，长度为24mm；第二级分支管道03的内径为80mm，长度为16mm；第三级分支管道的内径为12.8mm，长度为80mm；第一级分支管道02、第二级分支管道03、第三级分支管道04的壁面厚度均为2mm，其余技术特征与实施例1完全相同。第二级管道内的射流分布图如图9所示，第二级分支管道03内的射流值约为平均流速的1.03倍，与实施例1一样，管道内的各处流速分布基本一致。同样在第三级管道内各分支管具有非常均匀的流量分布。

实施例3

基于实施例1，该实施例与实施例1的不同之处在于：该实施例中第一级分支管道02的内径为16mm，长度为45mm；第二级分支管道03的内径为80mm，长度为80mm；第三级分支管道的内径为19.2mm，长度为90mm；第一级分支管道02、第二级分支管道03、第三级分支管道04的壁面厚度均为2mm，其余技术特征与实施例1完全相同。此实施例的射流分布与流量分布与实施例2相同，说明增加第一级和第二级管道长度对射流基本没有影响。

实施例4

基于实施例1，该实施例与实施例1的不同之处在于，该实施例在使用流道结构分配聚变堆液态包层时的外加磁感应强度为15T，其余技术特征与实施例1完全相同。第二级分支管道03内的射流值约为平均流速的1.06倍如图10所示，与实施例1一致，增加外加磁场的磁感应强度并不影响射流值。说明该管道设计可以放置在强磁场环境下。

实施例5

基于实施例1，该实施例与实施例1的不同之处在于，该实施例在使用流道结构分配聚变堆液态包层时的外加磁场磁感应强度为0T，其余技术特征与实施例1完全相同。如图11所示，第二级分支管道03内基本不存在射流，这样在不存在外加磁场环境下，该管道结构仍能实现非常均匀的流量分配结果。

实施例6

基于实施例1，该实施例与实施例1的不同之处在于，该实施例在使用流道结构分配聚变堆液态包层时，液态金属在第一级分支管道02的进口01处的流速为0.001m/s，其余技术特征与实施例1完全相同。如图12所示，第二级分支管道03内的射流值约为平均流速的1.05倍，其第三级管仍各分支管流量占总流量比值均为25％。

实施例7

基于实施例1，该实施例与实施例1的不同之处在于，该实施例在使用流道结构分配聚变堆液态包层时，液态金属在第一级分支管道02的进口01处的流速为5m/s，其余技术特征与实施例1完全相同。如图13所示，第二级分支管道03内的射流值约为平均流速的1.06倍，结合实施例6可以得出改变第一级分支管的进口流速并不影响射流值，进而不会改变第三级管道的流量分配结果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。