熔融鋰液滴與冷卻劑在不同溫度下的相互作用實驗研究

游曦鳴，佟立麗，曹學武

(上海交通大學機械與動力工程學院，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驗研究

游曦鳴，佟立麗，曹學武

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240)

針對未來聚變裝置中嚴重事故時可能發生的液態鋰與冷卻劑相互作用及爆炸過程，建立實驗裝置并在其上開展了熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用實驗研究。觀測了不同初始溫度下鋰液滴與冷卻劑相互作用的爆炸過程，對不同工況下的峰值壓力進行了比較，并分析了熔融鋰液滴初始溫度和冷卻劑初始溫度對爆炸作用的影響。研究結果表明，熔融鋰液滴與冷卻劑接觸面積的顯著增大是產生壓力峰值的關鍵因素，當熔融鋰液滴溫度超過300 ℃，冷卻劑溫度超過50 ℃時，熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用爆炸強度明顯增大；但是當冷卻劑溫度超過70 ℃時，爆炸反應反而受到了抑制。同時，在評估熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用風險時，蒸汽爆炸作用的影響不可忽視。

聚變；液態鋰；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，是解決人類未來能源問題的重要選擇。在磁約束托卡馬克裝置中，第一壁材料的選擇對未來聚變堆的發展至關重要。近年來，世界各國都開展了液態鋰作為第一壁材料的相關實驗[1-3]，研究表明液態鋰能承受很高的中子通量和表面熱負荷，能有效降低粒子再循環、減少雜質，并具有自我修復能力等特點，可顯著改善等離子體性能、提高核聚變裝置運行的穩定性，將為磁約束聚變發展提供新的科學手段，是未來聚變堆第一壁發展的可能重要途徑。

但是，在托卡馬克裝置中大規模應用液態鋰也存在一定的安全風險。特別是在水冷包層中，事故條件下[4]高溫的液態鋰可能與冷卻劑接觸，二者相互作用導致裝置中溫度、壓力迅速升高，并產生大量具有爆炸風險的氫氣，威脅裝置結構的完整性。金屬鋰與水的化學反應過程取決于反應物的量[5，6]，當鋰過量時，化學方程式(1)為主要反應，反應產物為氧化鋰和氫氣；當水過量時，化學反應方程式(2)為相互作用過程的主要反應，反應產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)

當冷卻劑過量時，液態鋰與冷卻劑相互作用的沖擊波有兩個來源。一方面鋰液滴與冷卻劑迅速發生化學反應，釋放出大量的化學能導致化學爆炸，甚至可能引發氫氣爆炸；另一方面是高溫的鋰液滴向水的快速傳熱，導致水急劇蒸發引發蒸汽爆炸，這是短時間內的快速過程[7]。因此，鋰液滴與冷卻劑相互作用過程是混合了氫氣和蒸汽的爆炸，傳統的關于熔融金屬與冷卻劑作用的蒸汽爆炸模型并不適用。根據Kranert和Kottowski[8]關于鋰鉛合金與水相互作用的實驗研究，蒸汽爆炸過程中的細?；饔媚軌蝻@著增大金屬與冷卻劑的接觸面積，但化學反應產物可能作為隔離層減弱熱細?；饔玫挠绊?。

鑒于液態鋰自由表面的穩定性，液態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，實驗發現隨著溫度升高，爆炸反應就會發生，當鋰液滴的溫度高于400 ℃，水的溫度高于30 ℃時，發生爆炸的可能性相當大；同時，研究指出反應釋放的能量將鋰液滴的表面加熱到它的飽和溫度，這個汽化過程也導致了爆炸反應。Anderson和Armstrong[11]對600 ℃液態鋰與室溫的水相互作用過程進行了觀測，將水彈的動能、容器壁的應變能以及其他的能量加起來，粗略的估計了蒸汽爆炸和化學爆炸產生的機械能。然而，鋰液滴與冷卻劑的相互作用過程復雜，爆炸機理尚不明確，制約了未來聚變裝置中液態鋰應用的風險分析和安全評價。

本文開展了鋰液滴與冷卻劑相互作用實驗研究，觀測了不同溫度下鋰液滴與冷卻劑相互作用的爆炸現象，對不同工況下的爆炸強度進行了比較，并分析了鋰液滴溫度和冷卻劑溫度對爆炸作用的影響。

1 實驗裝置及過程

1.1 實驗裝置

鋰液滴與冷卻劑相互作用實驗裝置主要包括加熱爐、釋放桿、不銹鋼坩堝、可視化反應箱、真空泵、數據采集系統、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700 ℃。坩堝采用316不銹鋼加工制成，內徑100mm，長1000mm。實驗裝置設計了特殊結構的熔融物釋放裝置，可通過調節桿實現熔融鋰液滴的釋放，調節桿直徑20mm，釋放端斜面傾角45°，調節桿經過表面處理，使之與坩堝出口契合度良好，保證熔融金屬不漏出。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experiment equipment

可視化反應箱材質為304不銹鋼，長500mm，寬400mm，高700mm，鋼板厚度5mm，如圖2所示。為了觀測鋰液滴與冷卻劑的反應，需要有專門的可視化窗口。采用有機玻璃嵌入不銹鋼板并密封，有機玻璃寬300mm，高500mm，厚度為10mm?？梢暬磻涞撞颗溆泄β?kW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鋫让骈_傳感器測孔，布置鎧裝熱電偶和動態高頻壓力傳感器。

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

不銹鋼坩堝和可視化反應箱形成一個密閉的空間，通過抽真空和充氬氣保護的方式，使金屬鋰在氬氣保護下加熱熔化，防止金屬鋰的氧化。同時，下部可視化反應箱加入適量的冷卻劑，并加熱到指定的初始反應溫度。當金屬鋰加熱至初始反應溫度后，通過調節釋放桿，實現熔融鋰液滴與冷卻劑的相互作用。通過攝像儀的觀測，壓力傳感器、溫度傳感器的實時測量，能夠對熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的過程進行定量的記錄，為爆炸作用的研究提供實驗數據。

1.2 實驗過程

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

當熔融鋰液滴和冷卻劑加熱至初始反應溫度后，打開數據采集系統記錄實驗數據，調節樣品釋放桿，實現熔融鋰液滴與冷卻劑在可視化反應箱中的相互作用。實驗過程中反應箱中充滿氬氣，排除了可能的氫氣爆炸風險，僅研究化學反應和快速傳熱導致的爆炸過程。通過攝像儀的觀測，壓力傳感器、溫度傳感器的實時測量，能夠對熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的過程進行定量的記錄。

2 實驗結果及分析

根據實驗觀測，1g熔融鋰形成鋰液滴落入可視化反應箱，在水面發生相互作用。當熔融鋰液滴溫度為200 ℃時，相互作用較溫和，沒有發生燃燒和爆炸。但是當熔融鋰液滴溫度超過300 ℃時，觀測到燃燒爆炸現象。熔融鋰液滴與水接觸后被點燃，隨后鋰液滴發生爆炸并破裂成許多細小的鋰液滴碎片分散在水表面。參與化學反應的鋰液滴質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在水面燃燒，引起可視化反應箱中的溫度、壓力迅速升高?；趯嶒炗^測，熔融鋰液滴與冷卻劑接觸面積的顯著增大是產生壓力峰值的關鍵因素。

2.1 鋰液滴溫度對爆炸的影響

不同熔融鋰液滴溫度下的實驗峰值壓力如圖3所示，該實驗工況下冷卻劑溫度為30 ℃。隨著初始熔融鋰液滴溫度的升高，可視化反應箱中的峰值壓力也逐漸增大。該實驗現象與Lomperski的研究結果相同，根據Lomperski[10]關于液態鋰與冷卻劑相互作用實驗的分析結果，熔融鋰液滴初始溫度越高，則鋰液滴表面越容易在短時間內達到沸點，迅速形成鋰蒸氣。鋰蒸氣和水蒸氣的汽相化學反應能夠使整體的反應面積快速增大，大量反應熱迅速釋放引發爆炸作用。同時，熔融鋰液滴更高的初始溫度能夠增大化學反應速率，并有利于化學反應產物氫氧化鋰的熔化，促進化學反應的迅速進行。

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

可視化反應箱中溫度的變化如圖4所示。在不同實驗工況下，反應區壁面溫度基本保持不變。這是由于實驗中熱電偶布置在可視化反應箱壁面，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箱的壁面溫度。因此，在不同實驗工況下沒有觀測到反應箱中溫度變化的差異。

圖4 反應區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

可視化反應箱中的峰值壓力隨冷卻劑溫度的變化情況如圖5所示。當冷卻劑初始溫度超過50 ℃時，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，當冷卻劑初始溫度偏低時，熔融鋰液滴表面更容易被冷卻，進而阻止了鋰蒸氣的形成；另一方面，冷卻劑溫度的升高會增大反應速率，促進化學反應的進行，爆炸反應更加劇烈，因此熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的峰值壓力會逐漸增大。但是，當冷卻劑初始溫度超過70 ℃時，爆炸反應反而受到了抑制，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。根據實驗觀測，當冷卻劑初始溫度較高時，可視化反應箱中會生成大量的水蒸氣。由于鋰液滴質量較小，熔融鋰液滴在下落過程中與水蒸氣的反應不可忽略。鋰液滴下落過程中產生的氫氧化鋰會附著在液滴表面，當熔融鋰液滴與水面接觸時，表面的氫氧化鋰產物阻礙了高溫熔融鋰液滴與冷卻劑的快速化學反應，進而抑制了爆炸作用的強度。

2.3 蒸汽爆炸現象

在一組初始溫度為300 ℃熔融鋰液滴與初始溫度為20 ℃冷卻劑相互作用實驗工況中，實驗觀測到的可視化反應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，產生了一個7.37kPa的峰值壓力。但是在該峰值壓力之前，實驗觀測到了一個由蒸汽爆炸作用產生的急劇上升的壓力峰值。在50ms的短時間內，壓力急劇上升了2.5kPa，達到了5.5kPa，該壓力峰同樣會造成聚變裝置的結構損傷。因此，在液態鋰與冷卻劑相互作用安全評估時，蒸汽爆炸的影響不可忽視。

圖6 可視化反應箱中壓力隨時間變化曲線Fig.6 Pressure evolution in the test section

當高溫的熔融金屬與冷卻劑相互作用時，熔融金屬的熱量迅速傳遞給周圍的冷卻劑，容易引發水的爆炸式蒸發，導致蒸汽爆炸現象[7]。當冷卻劑溫度較高時，其過冷度更低，容易在金屬周圍形成穩定的蒸汽膜，抑制蒸汽爆炸作用的形成。同時，較高的冷卻劑溫度加快了化學反應速率，氫氣和氫氧化鋰迅速產生，特別是氫氣作為不可凝結氣體，在熔融鋰液滴周圍阻礙了細?；饔玫倪M行，進而抑制了劇烈的蒸汽爆炸作用。

3 結論

本文開展了熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用實驗研究，觀測了不同溫度下熔融鋰液滴與冷卻劑相互作用的爆炸過程，對不同工況下的作用現象和爆炸強度進行了比較，并分析了熔融鋰液滴溫度和冷卻劑溫度對爆炸作用的影響。主要結論如下：

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

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

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

致謝

感謝國家自然科學基金資助項目(No.11375116)和國家磁約束核聚變能發展研究專項(No.2013GB114005)對本實驗的支持。

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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

國家自然科學基金資助項目(No.11375116)；國家磁約束核聚變能發展研究專項(No.2013GB114005)

游曦鳴(1989—)，男，湖北武漢人，在讀博士研究生，現從事核科學與技術方面研究

佟立麗：lltong@sjtu.edu.cn

TL69

A

0258-0918(2017)03-0374-06