液態(tài)金屬鎵回路搭建及無窗靶實(shí)驗(yàn)研究

楊偉峰，張雪熒，王 飛，李 龍，趙 強(qiáng)，魏計(jì)房，強(qiáng)成文

(中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)是目前最安全有效的核廢料處置技術(shù)方案，它包括強(qiáng)流質(zhì)子加速器、液態(tài)金屬散裂靶及次臨界反應(yīng)堆3個部分。中國科學(xué)院已開展“未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的研究[1]。液態(tài)金屬散裂靶作為強(qiáng)流質(zhì)子加速器和次臨界反應(yīng)堆的耦合裝置，在ADS系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用。鉛鉍共晶體(LBE)具有良好的中子學(xué)性能、抗輻照性能和傳熱性能，是目前認(rèn)可的散裂靶首選材料[2]。

根據(jù)幾何構(gòu)型的不同，液態(tài)金屬散裂靶可分為有窗靶和無窗靶。無窗靶是現(xiàn)階段最有應(yīng)用前景的散裂靶構(gòu)型方案，國內(nèi)外已開展大量研究[3-5]。無窗靶要求在束流管道內(nèi)形成穩(wěn)定的自由液面，以保證穩(wěn)定的中子產(chǎn)額與分布，并滿足加速器出口高真空度的要求及實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆內(nèi)部高功率熱量的有效傳輸。由于液態(tài)金屬是不透明介質(zhì)，很難直接觀測自由液面區(qū)域的流場與形狀，目前實(shí)驗(yàn)大多使用水作模擬介質(zhì)[6-7]。然而，水和液態(tài)金屬性質(zhì)的差異使研究工作無法實(shí)現(xiàn)根本性突破，必須使用液態(tài)金屬才能更有效地開展研究。鎵是一種具有特殊性質(zhì)的金屬，它的熔點(diǎn)很低，為29.78 ℃，而沸點(diǎn)極高，達(dá)到2 403 ℃，并且無毒性，安全易用。用鎵模擬LBE，可在更低溫度下進(jìn)行，降低了對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求，在初期實(shí)驗(yàn)研究中具有較大優(yōu)勢。且在相同靶件幾何結(jié)構(gòu)及相同熱工流體工況下與水(20 ℃)相比[3]，鎵(50 ℃)與LBE(400 ℃)的幾個基本的熱工流體相似準(zhǔn)則數(shù)(斯特勞哈數(shù)、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、韋伯?dāng)?shù)、界面剪切數(shù))更接近，說明它們具有更相似的熱工流體性質(zhì)，用鎵模擬LBE更符合實(shí)際要求。

研究液態(tài)金屬散裂靶離不開模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在流動與傳熱方面，模擬計(jì)算通常使用FLUENT、CFX等商用軟件，而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證需搭建實(shí)驗(yàn)平臺。液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)回路是研究不同無窗靶構(gòu)型下液態(tài)金屬流動及傳熱特性的必備實(shí)驗(yàn)平臺，可為散裂靶模擬設(shè)計(jì)提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。中國科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”子項(xiàng)目“重金屬散裂靶”的研究，在前期實(shí)驗(yàn)研究階段，為對計(jì)算模擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)并搭建一套小型的液態(tài)金屬鎵實(shí)驗(yàn)回路。本文介紹該回路的設(shè)計(jì)思路、組成部分、基本功能及運(yùn)行流程，然后分析回路中離心泵前后、實(shí)驗(yàn)靶段前后的壓力分布及壓差隨流量的變化關(guān)系，最后給出無窗靶自由液面的位置、形態(tài)隨流量的變化規(guī)律并做簡要理論分析。

1 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

液態(tài)金屬鎵回路基于無窗靶概念設(shè)計(jì)，開展液態(tài)鎵流體在無窗靶構(gòu)型下流場、壓力場與自由液面的測量與研究?；芈吩O(shè)計(jì)使用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)效果如圖1所示。回路主要部件為：1臺機(jī)械式離心泵、2個截止閥、1臺電磁流量計(jì)、4個壓力變送器、1個儲料罐、1個實(shí)驗(yàn)靶段?；芈贩旁诿荛]的玻璃隔間內(nèi)，內(nèi)置熱風(fēng)機(jī)使回路所處環(huán)境溫度維持在室溫～80 ℃范圍。

圖1 液態(tài)金屬鎵回路設(shè)計(jì)示意圖

回路設(shè)計(jì)時主要考慮以下幾點(diǎn)。

1) 流體驅(qū)動設(shè)備選用普通的襯塑型離心式機(jī)械水泵。由于鎵的密度約為水的6倍，所以更換泵的電機(jī)，使其功率增加到原來的2倍以上，同時使用變頻器調(diào)節(jié)控制泵的轉(zhuǎn)速。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，泵中殘留的液態(tài)鎵能回收干凈，在泵的底部開一小孔，并通過一個截止閥連接到儲料罐中。

2) 壓力測量選用壓力變送器，使用耐高溫平膜接口型，以防鎵凝固時堵塞接口；流量測量選用電磁流量計(jì)，使用聚四氟乙烯襯底，可滿足工作溫度及介質(zhì)腐蝕的要求；實(shí)驗(yàn)靶段內(nèi)置微型內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)對無窗靶中自由液面形態(tài)的拍照及攝像；實(shí)驗(yàn)靶段頂部安裝電導(dǎo)型液位開關(guān)，用于顯示填料時需達(dá)到的液位高度。

3) 實(shí)驗(yàn)段基于無窗靶概念設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。實(shí)驗(yàn)段使用有機(jī)玻璃材質(zhì)加工而成，這樣可從實(shí)驗(yàn)段外直接觀察靶區(qū)局部的流動形態(tài)，這在初期實(shí)驗(yàn)中尤為重要，為實(shí)驗(yàn)操作提供了便利。實(shí)驗(yàn)靶段上部空間較大，為流體緩沖區(qū)，然后逐漸收縮，與內(nèi)管一起構(gòu)成環(huán)形噴嘴，此處即無窗靶自由液面形成區(qū)域。

圖2 無窗靶結(jié)構(gòu)及尺寸

液態(tài)金屬鎵回路在使用時按如下流程進(jìn)行：在密閉的玻璃隔間內(nèi)由熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)生熱空氣，使回路環(huán)境溫度穩(wěn)定在50 ℃左右；加熱儲料罐中的固態(tài)金屬鎵，使其熔化成液態(tài)并保持在50 ℃左右；向儲料罐中充入氬氣，使容器內(nèi)部的壓力升高，直至將液態(tài)鎵壓出，經(jīng)過管道到達(dá)液位開關(guān)指示高度；關(guān)閉儲料罐上面的兩個閥門，使液態(tài)鎵停留在回路中；啟動離心式機(jī)械泵，用變頻器調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，開始實(shí)驗(yàn)，并用無紙記錄儀實(shí)時記錄測量數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)完成后打開閥門，使回路及離心泵中的液態(tài)鎵均流入儲料罐；最后，關(guān)閉熱風(fēng)機(jī)，自然冷卻至初始狀態(tài)。

2 無窗靶實(shí)驗(yàn)

開展液態(tài)金屬回路中的無窗靶實(shí)驗(yàn)研究，主要目的是了解回路中壓力分布、壓差和自由液面位置、形態(tài)隨流量的變化關(guān)系，從而進(jìn)一步分析自由液面形成的條件及控制方式，掌握不同無窗靶構(gòu)型對自由液面形成及自由液面區(qū)域流場的影響規(guī)律，然后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算模擬結(jié)果的相互比對校驗(yàn)，逐步完善無窗靶設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)前，使靶段緩沖區(qū)和內(nèi)管均接通大氣，使它們處在1個大氣壓的恒壓環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)按以下步驟展開：首先，填充液態(tài)鎵到回路中，直至高于內(nèi)管出口17.7 cm左右，此即為初始液位h0；然后，通過變頻器調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速，用電磁流量計(jì)測量回路中的流量Q，用壓力變送器測量回路中的泵前壓力p1、泵后壓力p2、靶前壓力p3、靶后壓力p4；待流動穩(wěn)定后，測量內(nèi)管中的自由液面位置h(以高出內(nèi)管口的長度計(jì)算)，并用內(nèi)窺鏡拍攝液面形狀。對測量到的實(shí)時流量和壓力取時間平均。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 不同泵轉(zhuǎn)速比下液態(tài)鎵回路中的流量、壓力及自由液面位置

注：1) 在離心泵轉(zhuǎn)速未知的情況下，用轉(zhuǎn)速比r表征離心泵轉(zhuǎn)速的相對大小，轉(zhuǎn)速比=泵實(shí)際轉(zhuǎn)速/泵最大轉(zhuǎn)速=泵運(yùn)行頻率/泵最大運(yùn)行頻率(50 Hz)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

回路中的液態(tài)鎵流體的流動形態(tài)由雷諾數(shù)Re決定，有：

Re=ρDv/μ

(1)

式中：ρ為液態(tài)鎵的密度，隨溫度T的變化關(guān)系為ρ=6 077-0.611(T-302.914) (kg·m-3)[8]，50 ℃時ρ=6 065 kg·m-3；D為回路管道的內(nèi)徑，D=26 mm；v為回路中液態(tài)鎵的平均流速，與Q的關(guān)系為Q=vπ(D/2)2；μ為液態(tài)鎵的黏度，隨T的變化關(guān)系為μ=10-0.446 5+204.03/T(mPa·s)[8]，50 ℃時μ=1.532×10-3Pa·s。由式(1)可得出：r=10%時，Re=12 391；r=20%時，Re=24 782；…；r=70%時，Re=71 868。可見，對于實(shí)驗(yàn)中測量的7種工況，對應(yīng)雷諾數(shù)均在10 000以上，所以，回路中的流動狀態(tài)均為湍流。相對于層流，湍流更利于傳熱，但湍流也會引起很多的漩渦，不利于自由液面的穩(wěn)定。

圖3為回路中泵前后、靶前后的壓力及壓差隨流量的變化。實(shí)驗(yàn)開始時，回路中的鎵處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時測量到的壓力取決于測量位置與最高液位的高度差，即pi0=ρgΔhi(i=1,2,3,4)，所以，p10最大，p30最小。啟動泵后，回路中的鎵開始流動，此時測量到的壓力隨流速而發(fā)生變化，如圖3a所示。泵兩側(cè)的壓差表示為Δp1=(p2-p20)-(p1-p10)，靶兩側(cè)的壓差表示為Δp2=(p4-p40)-(p3-p30)，它們隨Q的變化關(guān)系如圖3b所示?？煽闯?，Δp1隨Q的增大而增大，Δp2隨Q的增大而減小。Δp1決定泵輸送流體介質(zhì)時輸出的能量，由泵轉(zhuǎn)速決定；Δp2反映流體從靶入口到靶出口的壓力變化，由靶區(qū)內(nèi)部的阻力損失和重力加速決定。

圖3 液態(tài)鎵回路中壓力(a)與壓差(b)隨流量的變化

圖4 無窗靶內(nèi)自由液面位置隨流量變化的曲線及自由液面形態(tài)照片

圖4為無窗靶內(nèi)自由液面位置隨流量變化的曲線及自由液面形態(tài)照片。從圖4可看出，隨回路中流量的不斷增大，自由液面位置隨之降低。當(dāng)流量達(dá)1.37 m3·h-1時，液面位置降至0.5 cm。而后隨流量的繼續(xù)增大，液位雖有所降低，但變化范圍很小，除去測量誤差的影響，可認(rèn)為液面基本穩(wěn)定在內(nèi)管出口位置。對比自由液面的形態(tài)照片可發(fā)現(xiàn)，隨流量的增加，液面波動程度加大，這是由于高流速下內(nèi)管口出現(xiàn)渦旋，影響了自由液面的穩(wěn)定程度。

由以上實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果可知，對于當(dāng)前無窗靶構(gòu)型，在一定流速范圍內(nèi)，自由液面基本穩(wěn)定在內(nèi)管口附近，但自由液面的穩(wěn)定性需進(jìn)一步研究。對于當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件，由于回路中的流動狀態(tài)為湍流，所以不能做精確的理論分析，僅從理想模型出發(fā)并適當(dāng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件對靶區(qū)流體狀態(tài)做簡略分析：記靶區(qū)緩沖箱內(nèi)部液面的絕對壓力為p4，液面處流速為v4；內(nèi)管自由液面的絕對壓力為p5，對應(yīng)環(huán)形流道內(nèi)流速為v5，假設(shè)靶區(qū)流體滿足伯努利方程，可得到：

(2)

式中，hf為靶區(qū)內(nèi)部流體的阻力損失(假設(shè)它不隨流體速度而變化)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，v4≈0，則：

(3)

實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)滿足p5→0，即絕對真空，此時，式(3)變?yōu)椋?/p>

(4)

進(jìn)而得到：

(5)

可見，自由液面的位置主要由p4、v5、hf決定。當(dāng)h=0時，滿足：

(6)

這就是理想情況下自由液面形成所必須具備的條件。從而得到：

(7)

4 小結(jié)

1) 隨回路中流量的增大，自由液面位置逐漸降低，直至抵達(dá)內(nèi)管口，但液面的穩(wěn)定性也隨之降低。

2) 無窗靶自由液面的位置主要由流體壓力和流速決定，通過調(diào)節(jié)壓力和流速可實(shí)現(xiàn)對自由液面位置的調(diào)節(jié)。

下一步將開展負(fù)壓下液態(tài)鎵回路中的無窗靶實(shí)驗(yàn)，研究不同壓力環(huán)境下自由液面位置的調(diào)節(jié)方法和自由液面形態(tài)的控制方法，同時進(jìn)行不同靶型下的計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的相互校驗(yàn)。

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