熔融鋰液滴與冷卻劑在不同溫度下的相互作用實(shí)驗(yàn)研究

游曦鳴，佟立麗，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240)

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熔融鋰液滴與冷卻劑在不同溫度下的相互作用實(shí)驗(yàn)研究

游曦鳴，佟立麗，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240)

針對(duì)未來(lái)聚變裝置中嚴(yán)重事故時(shí)可能發(fā)生的液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用及爆炸過(guò)程，建立實(shí)驗(yàn)裝置并在其上開展了熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)研究。觀測(cè)了不同初始溫度下鋰液滴與冷卻劑相互作用的爆炸過(guò)程，對(duì)不同工況下的峰值壓力進(jìn)行了比較，并分析了熔融鋰液滴初始溫度和冷卻劑初始溫度對(duì)爆炸作用的影響。研究結(jié)果表明，熔融鋰液滴與冷卻劑接觸面積的顯著增大是產(chǎn)生壓力峰值的關(guān)鍵因素，當(dāng)熔融鋰液滴溫度超過(guò)300 ℃，冷卻劑溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用爆炸強(qiáng)度明顯增大；但是當(dāng)冷卻劑溫度超過(guò)70 ℃時(shí)，爆炸反應(yīng)反而受到了抑制。同時(shí)，在評(píng)估熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，蒸汽爆炸作用的影響不可忽視。

聚變；液態(tài)鋰；冷卻劑；第一壁；安全

受控核聚變提供了一種潛在的、取之不盡的清潔能源，是解決人類未來(lái)能源問(wèn)題的重要選擇。在磁約束托卡馬克裝置中，第一壁材料的選擇對(duì)未來(lái)聚變堆的發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，世界各國(guó)都開展了液態(tài)鋰作為第一壁材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[1-3]，研究表明液態(tài)鋰能承受很高的中子通量和表面熱負(fù)荷，能有效降低粒子再循環(huán)、減少雜質(zhì)，并具有自我修復(fù)能力等特點(diǎn)，可顯著改善等離子體性能、提高核聚變裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，將為磁約束聚變發(fā)展提供新的科學(xué)手段，是未來(lái)聚變堆第一壁發(fā)展的可能重要途徑。

但是，在托卡馬克裝置中大規(guī)模應(yīng)用液態(tài)鋰也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是在水冷包層中，事故條件下[4]高溫的液態(tài)鋰可能與冷卻劑接觸，二者相互作用導(dǎo)致裝置中溫度、壓力迅速升高，并產(chǎn)生大量具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)的氫氣，威脅裝置結(jié)構(gòu)的完整性。金屬鋰與水的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程取決于反應(yīng)物的量[5，6]，當(dāng)鋰過(guò)量時(shí)，化學(xué)方程式(1)為主要反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為氧化鋰和氫氣；當(dāng)水過(guò)量時(shí)，化學(xué)反應(yīng)方程式(2)為相互作用過(guò)程的主要反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為氫氧化鋰和氫氣，并釋放出更多的熱量。

2Li+H2O=Li2O+H2+156.5 kJ/mole Li

(1)

2Li+2H2O=2LiOH+H2+199 kJ/mole Li

(2)

當(dāng)冷卻劑過(guò)量時(shí)，液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用的沖擊波有兩個(gè)來(lái)源。一方面鋰液滴與冷卻劑迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的化學(xué)能導(dǎo)致化學(xué)爆炸，甚至可能引發(fā)氫氣爆炸；另一方面是高溫的鋰液滴向水的快速傳熱，導(dǎo)致水急劇蒸發(fā)引發(fā)蒸汽爆炸，這是短時(shí)間內(nèi)的快速過(guò)程[7]。因此，鋰液滴與冷卻劑相互作用過(guò)程是混合了氫氣和蒸汽的爆炸，傳統(tǒng)的關(guān)于熔融金屬與冷卻劑作用的蒸汽爆炸模型并不適用。根據(jù)Kranert和Kottowski[8]關(guān)于鋰鉛合金與水相互作用的實(shí)驗(yàn)研究，蒸汽爆炸過(guò)程中的細(xì)?；饔媚軌蝻@著增大金屬與冷卻劑的接觸面積，但化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物可能作為隔離層減弱熱細(xì)?；饔玫挠绊憽?/p>

鑒于液態(tài)鋰自由表面的穩(wěn)定性，液態(tài)鋰作為第一壁材料最佳溫度范圍是300～500 ℃，但在高熱流密度作用下液態(tài)鋰表面溫度可升高到600 ℃[9]。Lomperski[10]研究了鋰液滴與水的相互作用，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，爆炸反應(yīng)就會(huì)發(fā)生，當(dāng)鋰液滴的溫度高于400 ℃，水的溫度高于30 ℃時(shí)，發(fā)生爆炸的可能性相當(dāng)大；同時(shí)，研究指出反應(yīng)釋放的能量將鋰液滴的表面加熱到它的飽和溫度，這個(gè)汽化過(guò)程也導(dǎo)致了爆炸反應(yīng)。Anderson和Armstrong[11]對(duì)600 ℃液態(tài)鋰與室溫的水相互作用過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，將水彈的動(dòng)能、容器壁的應(yīng)變能以及其他的能量加起來(lái)，粗略的估計(jì)了蒸汽爆炸和化學(xué)爆炸產(chǎn)生的機(jī)械能。然而，鋰液滴與冷卻劑的相互作用過(guò)程復(fù)雜，爆炸機(jī)理尚不明確，制約了未來(lái)聚變裝置中液態(tài)鋰應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)分析和安全評(píng)價(jià)。

本文開展了鋰液滴與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)研究，觀測(cè)了不同溫度下鋰液滴與冷卻劑相互作用的爆炸現(xiàn)象，對(duì)不同工況下的爆炸強(qiáng)度進(jìn)行了比較，并分析了鋰液滴溫度和冷卻劑溫度對(duì)爆炸作用的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

鋰液滴與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)裝置主要包括加熱爐、釋放桿、不銹鋼坩堝、可視化反應(yīng)箱、真空泵、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、攝像儀等，如圖1所示。加熱爐電阻絲分布在坩堝四周方向，功率4kW，最高溫度可達(dá)700 ℃。坩堝采用316不銹鋼加工制成，內(nèi)徑100mm，長(zhǎng)1000mm。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了特殊結(jié)構(gòu)的熔融物釋放裝置，可通過(guò)調(diào)節(jié)桿實(shí)現(xiàn)熔融鋰液滴的釋放，調(diào)節(jié)桿直徑20mm，釋放端斜面傾角45°，調(diào)節(jié)桿經(jīng)過(guò)表面處理，使之與坩堝出口契合度良好，保證熔融金屬不漏出。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experiment equipment

可視化反應(yīng)箱材質(zhì)為304不銹鋼，長(zhǎng)500mm，寬400mm，高700mm，鋼板厚度5mm，如圖2所示。為了觀測(cè)鋰液滴與冷卻劑的反應(yīng)，需要有專門的可視化窗口。采用有機(jī)玻璃嵌入不銹鋼板并密封，有機(jī)玻璃寬300mm，高500mm，厚度為10mm?？梢暬磻?yīng)箱底部配有功率1kW的加熱管，能夠改變冷卻劑的初始溫度，溫度范圍是室溫至 90 ℃?？梢暬磻?yīng)箱側(cè)面開傳感器測(cè)孔，布置鎧裝熱電偶和動(dòng)態(tài)高頻壓力傳感器。

圖2 可視化反應(yīng)箱示意圖Fig.2 Schematic of the test section

不銹鋼坩堝和可視化反應(yīng)箱形成一個(gè)密閉的空間，通過(guò)抽真空和充氬氣保護(hù)的方式，使金屬鋰在氬氣保護(hù)下加熱熔化，防止金屬鋰的氧化。同時(shí)，下部可視化反應(yīng)箱加入適量的冷卻劑，并加熱到指定的初始反應(yīng)溫度。當(dāng)金屬鋰加熱至初始反應(yīng)溫度后，通過(guò)調(diào)節(jié)釋放桿，實(shí)現(xiàn)熔融鋰液滴與冷卻劑的相互作用。通過(guò)攝像儀的觀測(cè)，壓力傳感器、溫度傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠?qū)θ廴阡囈旱闻c冷卻劑相互作用的過(guò)程進(jìn)行定量的記錄，為爆炸作用的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)先用純度99.999%的氬氣對(duì)不銹鋼坩堝掃氣處理，然后將手套箱中準(zhǔn)備的1g金屬鋰加入坩堝，再通過(guò)抽真空和充氬氣的方式使不銹鋼坩堝、可視化反應(yīng)箱保持惰性環(huán)境，防止金屬鋰加熱過(guò)程中的氧化。打開加熱爐對(duì)金屬鋰加熱升溫，熔融鋰液滴的實(shí)驗(yàn)工況包括200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃，以研究熔融鋰液滴溫度對(duì)爆炸作用的影響。下部可視化反應(yīng)箱中加入適量冷卻劑，并打開加熱管加熱。冷卻劑的實(shí)驗(yàn)工況包括20 ℃、30 ℃、 40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃，以研究冷卻劑溫度對(duì)爆炸作用的影響。

當(dāng)熔融鋰液滴和冷卻劑加熱至初始反應(yīng)溫度后，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)樣品釋放桿，實(shí)現(xiàn)熔融鋰液滴與冷卻劑在可視化反應(yīng)箱中的相互作用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)箱中充滿氬氣，排除了可能的氫氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)，僅研究化學(xué)反應(yīng)和快速傳熱導(dǎo)致的爆炸過(guò)程。通過(guò)攝像儀的觀測(cè)，壓力傳感器、溫度傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠?qū)θ廴阡囈旱闻c冷卻劑相互作用的過(guò)程進(jìn)行定量的記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，1g熔融鋰形成鋰液滴落入可視化反應(yīng)箱，在水面發(fā)生相互作用。當(dāng)熔融鋰液滴溫度為200 ℃時(shí)，相互作用較溫和，沒(méi)有發(fā)生燃燒和爆炸。但是當(dāng)熔融鋰液滴溫度超過(guò)300 ℃時(shí)，觀測(cè)到燃燒爆炸現(xiàn)象。熔融鋰液滴與水接觸后被點(diǎn)燃，隨后鋰液滴發(fā)生爆炸并破裂成許多細(xì)小的鋰液滴碎片分散在水表面。參與化學(xué)反應(yīng)的鋰液滴質(zhì)量以及熔融鋰液滴與冷卻劑的接觸傳熱面積，都在瞬間快速增加。所有的鋰液滴碎片都同時(shí)在水面燃燒，引起可視化反應(yīng)箱中的溫度、壓力迅速升高?；趯?shí)驗(yàn)觀測(cè)，熔融鋰液滴與冷卻劑接觸面積的顯著增大是產(chǎn)生壓力峰值的關(guān)鍵因素。

2.1 鋰液滴溫度對(duì)爆炸的影響

不同熔融鋰液滴溫度下的實(shí)驗(yàn)峰值壓力如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)工況下冷卻劑溫度為30 ℃。隨著初始熔融鋰液滴溫度的升高，可視化反應(yīng)箱中的峰值壓力也逐漸增大。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與Lomperski的研究結(jié)果相同，根據(jù)Lomperski[10]關(guān)于液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，熔融鋰液滴初始溫度越高，則鋰液滴表面越容易在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到沸點(diǎn)，迅速形成鋰蒸氣。鋰蒸氣和水蒸氣的汽相化學(xué)反應(yīng)能夠使整體的反應(yīng)面積快速增大，大量反應(yīng)熱迅速釋放引發(fā)爆炸作用。同時(shí)，熔融鋰液滴更高的初始溫度能夠增大化學(xué)反應(yīng)速率，并有利于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鋰的熔化，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的迅速進(jìn)行。

圖3 峰值壓力隨鋰液滴溫度的變化Fig.3 Peak pressure plotted against lithium temperature

可視化反應(yīng)箱中溫度的變化如圖4所示。在不同實(shí)驗(yàn)工況下，反應(yīng)區(qū)壁面溫度基本保持不變。這是由于實(shí)驗(yàn)中熱電偶布置在可視化反應(yīng)箱壁面，而1g熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用釋放出的熱量非常小，不足以改變可視化反應(yīng)箱的壁面溫度。因此，在不同實(shí)驗(yàn)工況下沒(méi)有觀測(cè)到反應(yīng)箱中溫度變化的差異。

圖4 反應(yīng)區(qū)壁面溫度隨鋰液滴溫度的變化Fig.4 Temperature plotted against lithium temperature

2.2 冷卻劑溫度對(duì)爆炸的影響

圖5 峰值壓力隨冷卻劑溫度的變化Fig.5 Peak pressure plotted against water temperature

可視化反應(yīng)箱中的峰值壓力隨冷卻劑溫度的變化情況如圖5所示。當(dāng)冷卻劑初始溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的峰值壓力明顯更大。一方面，當(dāng)冷卻劑初始溫度偏低時(shí)，熔融鋰液滴表面更容易被冷卻，進(jìn)而阻止了鋰蒸氣的形成；另一方面，冷卻劑溫度的升高會(huì)增大反應(yīng)速率，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，爆炸反應(yīng)更加劇烈，因此熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的峰值壓力會(huì)逐漸增大。但是，當(dāng)冷卻劑初始溫度超過(guò)70 ℃時(shí)，爆炸反應(yīng)反而受到了抑制，熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的峰值壓力隨著冷卻劑初始溫度的升高而降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，當(dāng)冷卻劑初始溫度較高時(shí)，可視化反應(yīng)箱中會(huì)生成大量的水蒸氣。由于鋰液滴質(zhì)量較小，熔融鋰液滴在下落過(guò)程中與水蒸氣的反應(yīng)不可忽略。鋰液滴下落過(guò)程中產(chǎn)生的氫氧化鋰會(huì)附著在液滴表面，當(dāng)熔融鋰液滴與水面接觸時(shí)，表面的氫氧化鋰產(chǎn)物阻礙了高溫熔融鋰液滴與冷卻劑的快速化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而抑制了爆炸作用的強(qiáng)度。

2.3 蒸汽爆炸現(xiàn)象

在一組初始溫度為300 ℃熔融鋰液滴與初始溫度為20 ℃冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)工況中，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的可視化反應(yīng)箱中壓力變化情況如圖6所示。由于鋰液滴碎片分散在水表面迅速燃燒、爆炸，產(chǎn)生了一個(gè)7.37kPa的峰值壓力。但是在該峰值壓力之前，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了一個(gè)由蒸汽爆炸作用產(chǎn)生的急劇上升的壓力峰值。在50ms的短時(shí)間內(nèi)，壓力急劇上升了2.5kPa，達(dá)到了5.5kPa，該壓力峰同樣會(huì)造成聚變裝置的結(jié)構(gòu)損傷。因此，在液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用安全評(píng)估時(shí)，蒸汽爆炸的影響不可忽視。

圖6 可視化反應(yīng)箱中壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Pressure evolution in the test section

當(dāng)高溫的熔融金屬與冷卻劑相互作用時(shí)，熔融金屬的熱量迅速傳遞給周圍的冷卻劑，容易引發(fā)水的爆炸式蒸發(fā)，導(dǎo)致蒸汽爆炸現(xiàn)象[7]。當(dāng)冷卻劑溫度較高時(shí)，其過(guò)冷度更低，容易在金屬周圍形成穩(wěn)定的蒸汽膜，抑制蒸汽爆炸作用的形成。同時(shí)，較高的冷卻劑溫度加快了化學(xué)反應(yīng)速率，氫氣和氫氧化鋰迅速產(chǎn)生，特別是氫氣作為不可凝結(jié)氣體，在熔融鋰液滴周圍阻礙了細(xì)?；饔玫倪M(jìn)行，進(jìn)而抑制了劇烈的蒸汽爆炸作用。

3 結(jié)論

本文開展了熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)研究，觀測(cè)了不同溫度下熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的爆炸過(guò)程，對(duì)不同工況下的作用現(xiàn)象和爆炸強(qiáng)度進(jìn)行了比較，并分析了熔融鋰液滴溫度和冷卻劑溫度對(duì)爆炸作用的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用過(guò)程有潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，熔融鋰液滴與冷卻劑接觸面積的顯著增大是產(chǎn)生壓力峰值的關(guān)鍵因素。

(2) 當(dāng)熔融鋰液滴溫度超過(guò)300 ℃，冷卻劑溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用爆炸強(qiáng)度明顯增大；但是當(dāng)冷卻劑溫度超過(guò)70 ℃時(shí)，爆炸反應(yīng)反而受到了抑制。

(3) 在熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，特別是冷卻劑溫度較低的工況下，蒸汽爆炸作用對(duì)聚變裝置的影響不可忽視。

致謝

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11375116)和國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(No.2013GB114005)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的支持。

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Experimental Study of Molten Lithium Droplet and Coolant Interaction at Different Temperatures

YOU Xi-ming，TONG Li-li，CAO Xue-wu

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

In order to make a better understanding of the complicated liquid lithium water interaction and lithium-water explosion during the severe accident of the future fusion devices,an experiment facility was set up and an experiment of molten lithium droplet and coolant interaction was conducted. The process of explosion for molten lithium droplet coolant interaction at different temperatures were observed and measured. The peak pressures at different conditions were compared and the influences of initial lithium droplet temperature and initial coolant temperature were analyzed. The experimental results show that the dramatic increase of reaction area between lithium droplet and water is a key factor for the pressure peaks. More explosive reaction occurs when the lithium droplet temperature is above 300 ℃ and water temperature is above 50 ℃. But the explosion is suppressed when the initial water temperature is above 70 ℃. A phenomenon called steam explosion was observed in the experiment and it is not ignorable in the risk assessment of liquid lithium water interaction.

Fusion；Liquid lithium；Coolant;First wall；Safety

2017-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11375116)；國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(No.2013GB114005)

游曦鳴(1989—)，男，湖北武漢人，在讀博士研究生，現(xiàn)從事核科學(xué)與技術(shù)方面研究

佟立麗：lltong@sjtu.edu.cn

TL69

A

0258-0918(2017)03-0374-06