建立聚变堆偏滤器流动稳定性的液态曲面膜流系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于液态膜流流动的控制技术领域，具体涉及一种建立聚变堆偏滤器流动稳定性的液态曲面膜流系统的方法。
【背景技术】
[0002]目前受控核聚变仍然面临发展合适的面对等离子体材料这一巨大技术挑战，至今研究人员还没有找到一种固体材料能够同时承受聚变堆极高的热流冲击及非常大的中子辐照损伤。因此流动的液态金属锂被提出作为聚变堆面对等离子体材料，用作聚变堆高热负荷部件(特别是偏滤器)的表面来承受极高的热流冲击及减少中子辐照损伤。已有的研究结果表明固体闻热负荷材料在稳态情况下最闻只能承受:10MW/m2的表面热流冲击，而液态自由表面最高可承受50MW/m2的表面热负荷；同时液态锂是很好的中子慢化和增殖剂，可以有效降低聚变中子对固体结构材料的辐照损伤；通过流动液态锂的实时在线循环更新，可以避免出现类似固体材料的腐蚀和使用寿命问题；另外通过液态锂的循环更新还可以有效吸附和带走等离子体中的杂质粒子，实现低再循环运行模式，获得高约束等离子体放电，对实现等离子体的稳态运行有很大的帮助。
[0003]但是对磁约束聚变堆，液态锂偏滤器的实现还有许多技术难题需要解决。首先需要解决的问题是如何在聚变堆梯度强磁场的环境下建立能够完整覆盖固体底壁且稳定、厚度均匀的膜流流动。磁约束聚变堆中磁场强度约为2T至7T，表征洛伦兹力与粘滞力比值的无量纲哈德曼数通常大于103，洛伦兹力对膜流流动的影响非常大。通常洛伦兹力是阻碍膜流向前流动的，因此会发生膜流流动过程中的磁流体不稳定性，通常表现在膜流流动受阻而堆积变厚甚至流动阻滞、膜流被推向槽的一侧而不能完全覆盖底壁甚至发展为溪状流、液态金属表面不稳定性引起的液滴溅射等，所有上述现象都已经被实验证实，但目前为止研究人员还没有对其磁流体不稳定性做深入而系统的研究并提出一种有效控制聚变堆强磁场环境下膜流流动的方法。
[0004]由于磁约束聚变堆具有非常强的梯度磁场分布，特别是在偏滤器区域，其磁场变化较大，磁场的变化会引起膜流的磁流体不稳定性及表面波不稳定性，严重时会引起液滴溅射出来，液态金属进入等离子区域会引起等离子体熄灭。因此需要给出一种能够适应任意梯度磁场变化的具有流动稳定性的液态金属膜流系统，为液态偏滤器的实现提供技术和理论支持。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种建立聚变堆偏滤器流动稳定性的液态曲面膜流系统的方法，以克服上述问题。
[0006]为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为:
[0007]—种建立聚变堆偏滤器流动稳定性的液态曲面膜流系统的方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一:找到液态金属膜流稳定流动状态下当地磁场强度与倾斜角度的关系，通过改变膜流不同流动距离处当地倾斜角度适应梯度磁场的变化，控制由梯度强磁场引起的磁流体不稳定性，即采用曲面底壁的形状来适应梯度强磁场的变化；
[0009]步骤二:利用在曲面底壁上方固定金属网的方法，保证液态金属沿曲率变化较大的曲面底壁流动；
[0010]步骤三:通过调节不同流动距离处金属网孔的大小及其距曲面底壁的距离得到金属网上稳定的膜流流动。
[0011 ] 所述步骤一中的曲面底壁曲率是连续变化的，且曲率的变化由梯度磁场的变化决定。
[0012]所述步骤二中的金属网距曲面底壁的距离为2mm?15mm，金属网可采用单层或多层金属网叠加，金属网的厚度为0.1mm?1mm。
[0013]所述步骤三中的金属网上方的膜流是稳定均匀流动的，其膜厚为Imm?5mm。
[0014]本发明所取得的有益效果为:
[0015]本发明所述方法解决了磁场强度变化较大的梯度强磁场环境下液态金属膜流的磁流体不稳定性问题，通过金属网的辅助和调节作用可以适应曲率变化较大的曲面，建立完整且稳定流动的曲面膜流系统，同时还可防止液态金属的溅射。
【附图说明】
[0016]图1是液态锂膜流稳定流动状态下当地磁场强度与倾斜角度之间的关系；
[0017]图2是如何改变膜流倾斜角度才能适应梯度磁场的变化而得到稳定的曲面膜流流动；
[0018]图3是由高磁场流向低磁场的液态锂膜流控制其曲面磁流体流动的示意图；
[0019]图4是由低磁场流向高磁场的液态锂膜流控制其曲面磁流体流动的示意图；
[0020]图5是带金属网的曲面膜流测试实验段；
[0021]图6是应该如何调节金属网距底壁的距离才能够得到稳定的曲面膜流系统；
[0022]图7是带金属网和不带金属网的曲面膜流磁流体流动实验结果。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0024]本发明所述建立聚变堆偏滤器流动稳定性的液态曲面膜流系统的方法包括以下步骤:
[0025]步骤一:找到液态金属膜流稳定流动状态下当地磁场强度与倾斜角度的关系，通过改变膜流不同流动距离处当地倾斜角度适应梯度磁场的变化，控制由梯度强磁场引起的磁流体不稳定性，即采用曲面底壁的形状来适应梯度强磁场的变化；
[0026]步骤二:利用在曲面底壁上方固定金属网的方法，保证液态金属沿曲率变化较大的曲面底壁流动；
[0027]步骤三:通过调节不同流动距离处金属网孔的大小及其距曲面底壁的距离得到金属网上稳定的膜流流动；
[0028]所述步骤一中的曲面底壁曲率是连续变化的，且曲率的变化由梯度磁场的变化决定。
[0029]所述步骤二中的金属网距曲面底壁的距离为2mm?15mm，金属网可采用单层或多层金属网叠加，金属网的厚度为0.1mm?1mm。
[0030]所述步骤三中的金属网上方的膜流是稳定均匀流动的，其膜厚为Imm?5mm。
[0031]流动的液态金属锂用于磁约束聚变堆热负荷最高的下偏滤器区域，流动沿托卡马克的极向。液态锂在倾斜放置的敞口槽中流动，