方管內液態鉛鋰流動MHD壓降初步測量與分析

葉 競，朱志強，周 濤，孟 孜，黃群英，FDS團隊

(1.中國科學技術大學，安徽 合肥，230027； 2.中國科學院核能安全技術研究所，安徽 合肥 230031)

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方管內液態鉛鋰流動MHD壓降初步測量與分析

葉 競1,2，朱志強2，周 濤2，孟 孜2，黃群英2，FDS團隊

(1.中國科學技術大學，安徽 合肥，230027； 2.中國科學院核能安全技術研究所，安徽 合肥 230031)

磁流體動力學(MHD)實驗是研究聚變堆包層內液態鉛鋰在強磁場環境下流動特性的重要方法。本文基于中國多功能液態鉛鋰實驗回路DRAGON-IV開展方管MHD壓降測量實驗，在磁場強度為1.88T和最大鉛鋰流量為0.36m3/h時，方管實驗段均勻磁場區壓降為13.27kPa，與理論值偏差為2.30kPa，并對導致實驗誤差的因素進行了分析。

DRAGON-IV；磁流體動力學；壓降

在聚變堆包層研究中，液態鉛鋰包層具有諸多優勢，如復雜幾何適應性、高氚增殖比、在線提氚和換料、安全性經濟性好等[1-3]，因而被視為未來聚變堆液態包層的首選方案，并在國際上廣泛研究[4-7]。目前國際上提出的幾種鉛鋰概念包層有鉛鋰自冷包層SCLL、鉛鋰雙冷包層DCLL、水冷鉛鋰包層WCLL和氦冷鉛鋰包層HCLL[8]。在國內，FDS團隊開展了系列鉛鋰包層概念設計工作[9-11]。聚變堆包層所處環境復雜，如強磁場、強腐蝕、強輻射等，因此液態金屬鉛鋰在包層中流動會引起很多技術問題，如液態金屬鉛鋰與包層材料間的相容性問題，液態金屬鉛鋰在強磁場環境下的磁流體動力學(MHD)效應等，其中MHD效應是不可忽略的關鍵問題之一[12]。受到高溫液態金屬實驗測量技技術的限制，國際上以鉛鋰為介質的MHD實驗較少。美國MaPLE (Magnetohydrodynamic PbLi Experiment)液態鉛鋰回路[13]開展了帶絕緣層的矩形管道MHD實驗；韓國ELLI(Experimental Loop for LIquid breeder)鉛鋰回路[14]已完成了建造和前期的試運行，即將開展MHD實驗研究。

國內FDS團隊正在開展MHD實驗研究，中國多功能液態鉛鋰實驗回路DRAGON-IV[15-16]于2009年完成建造，主要開展MHD效應和鉛鋰腐蝕性實驗研究，為聚變堆MHD效應實驗提供了良好的測試平臺。本論文依托DRAGON-IV回路，開展了方管內液態鉛鋰MHD壓降測量實驗。

1 DRAGON-IV回路

1.1 回路簡介

DRAGON-IV回路結構原理圖如圖1所示，它主要由主回路、輔助回路、氣體回路(氬氣保護/真空抽氣系統)、加熱系統、綜合測量與控制系統構成，主回路由MHD實驗段、高溫腐蝕實驗段、應力腐蝕實驗段和TBM實驗段組成，各實驗段通過控制相應的液態金屬閥門實現單獨實驗。輔助回路是回路中液態金屬鉛鋰進行純化的單元。

圖1 DRGON-IV回路原理圖Fig.1 Scheme of the DRGON-IV loop

其中，MHD實驗子回路主要部件包括：儲藏罐、膨脹箱、電磁泵、加熱器、電磁鐵等主要設備，測量儀器儀表主要包括電磁流量計、差壓傳感器、熱電偶與液位計等。

1.2 MHD實驗段

MHD實驗段為方形管道，實驗段材料采用316L鋼，實驗段總長度為1500mm。整個實驗段水平放置在電磁鐵兩個磁極間，磁場在豎直方向穿過實驗段。實驗段中間400mm區間處于均勻磁場環境下(見圖2)，在實驗段磁場均勻區兩端引出兩個內徑為1.5cm、長度為30cm的引壓管，其作用是將液態鉛鋰引出，將其接到差壓計，測量實驗段的MHD壓降。具體的實驗段參數見表1，實驗段照片見圖3。

2 實驗內容

2.1 理論MHD壓降

在直方管段內MHD壓降可通過經驗公式計算[17]。MHD壓降除了與鉛鋰的電導率、流速和磁場有關外, 還與管壁的電導率、厚度和管道尺寸等密切相關。相關的計算參數見表1。

表1 MHD實驗段參數Table1 Parameters of the MHD experiment duct

ΔP=K·L·σ·B2·v

(1)

式中：L為磁場均勻段長度，m；σ為液態鉛鋰電導率，S/m；v為實驗段鉛鋰流速，m/s；B為實驗段磁場強度，T；K為修正因子。

圖2 實驗段軸向磁場分布Fig.2 Profile of the magnetic field on the axial line of magnet

圖3 MHD實驗段照片Fig.3 Picture of the MHD experiment duct

2.2 實驗過程

實驗時，鉛鋰在儲藏罐中加熱熔化后，通過氬氣將鉛鋰壓入已經抽成真空且充分預熱后的回路中，此時開啟電磁泵，驅動鉛鋰形成循環。

MHD實驗前需要進行充分浸潤，其目的是使實驗段內壁與鉛鋰有充分的電接觸，以使鉛鋰和壁面間的接觸電阻最小化。浸潤時不加磁場，即磁場強度為0，此時鉛鋰的流速較小，控制實驗段內鉛鋰的溫度在300～350 ℃，保持這一運行工況持續浸潤60 h左右。在浸潤過程中，時刻監測回路內的鉛鋰流量和溫度，以及MHD實驗段差壓計讀數，MHD實驗段差壓計示數始終為0，這表明差壓計工作正常。

實驗中分別測量了磁場分別為1.10T、1.57T、1.74T、1.88T時鉛鋰在各不同流量(流速)下的MHD壓降，并對結果進行了分析。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗結果

實驗測量結果見表2。在1.88T磁場條件下，鉛鋰的最大流量為0.36m3/h；無磁場條件下鉛鋰的最大流量為0.88 m3/h?？芍趶姶艌鱿侣惚诠艿纼纫簯B鉛鋰MHD效應非常明顯，在驅動壓頭一定的條件下，MHD效應明顯地增大了流阻，減小了鉛鋰流量。

表2 實驗段壓降測量結果

續表

根據公式(1)可得MHD實驗段在各場強和流量下的MHD壓降。將各流量和磁場強度下的MHD壓降理論計算值與測量值對比，結果見圖4，可以看出：

圖4 MHD實驗測量值與計算值對比Fig.4 Comparison of measured values with the theoretical values of MHD experiment(a) B=1.10T；(b) B=1.57T；(c) B=1.74T；(d) B=1.88T

磁場分別為1.10T、1.54 T、1.74 T、1.88T時，所測量的7個不同流量對應的壓降值與理論值偏差分別在0.28～0.57kPa，1.04～2.46kPa，1.40～2.10kPa，0.60～2.46kPa之間。測量值與理論值有一定的偏差，且所有測量值均小于理論值，測量值與理論值偏差最大為2.46kPa。這說明壓降測量值偏小，或者流量測量值偏大，從而得到的實驗段鉛鋰平均流速偏大，導致計算的理論壓降值偏大。

3.2 誤差分析

在實驗過程中，導致誤差的主要原因有以下四點：

1) 壓降測量誤差

實驗采用的差壓計，適用最高介質溫度為350℃，其表頭精度為0.025%，壓降測量系統精度為0.1%，量程為0～245kPa。此外，此次實驗的MHD壓降值較小(最大理論壓降值為15.67kPa)，待測量壓降值相對于差壓計量程很小，影響壓降測量精度。

2) 流量測量誤差

實驗段鉛鋰平均流速可根據測量的鉛鋰流量和實驗段管道內部截面積計算得到，而鉛鋰平均流速的大小和精度將直接影響MHD壓降理論計算值的大小和精度。因此，流量測量值的誤差將直接影響到MHD壓降實驗值與理論值之間的誤差大小。實驗采用電磁流量計測量鉛鋰流量。電磁流量計利用電磁感應定律，當導電介質以一定速度垂直于磁場流動時，在介質中會感應出電動勢，其大小與磁通密度、介質性質有關，電動勢的方向與速度方向和磁場方向相互垂直，其基本關系式為[18]：

E=d·B·v

(2)

式中：E為感應電動勢，V；d為電磁流量計內徑，m；B為磁場強度，T；v為介質流速，m/s。

電磁流量計在實驗前經過標定，其精度為5%。

3) 鉛鋰電導率的影響

從方程(1)可以看到，液態鉛鋰電導率σ是一個可以帶來誤差的因素，它直接影響MHD壓降理論計算值，而影響鉛鋰電導率有兩個因素，溫度和鉛鋰氧化物。

液態鉛鋰電導率與溫度的函數關系[19]：

(3)

式中：T為鉛鋰溫度，K；σl為液態鉛鋰電導率，S/m。實驗運行時鉛鋰溫度為350℃，運行溫度偏差在±5℃以內，由公式(3)可算得電導率的偏差在0.17%以內，可見，溫度對于鉛鋰電導率影響較小。

鉛鋰被氧化也會影響鉛鋰的電導率，鋰的氧化物為絕緣體，而鉛的氧化物電導率只有10-2S/m，為鉛鋰電導率的1/108[19]?？蓪嶒灲橘|看成鉛鋰與鉛鋰氧化物的混合物。

混合物電導率計算公式[21]：

(4)

式中：σ1為混合物中，含量很少的一種物質(雜質)的電導率，S/m；φ為此種物質所占體積分數；σ2為主要成分的電導率，S/m。

將鉛鋰氧化物電導率設為σ1，鉛鋰電導率設為σ2，以σ2=108×σ1計算σM/σ2隨φ變化情況。

實驗回路中儲存罐內鉛鋰體積為100L，假設儲存罐內氧氣完全參與氧化反應，經計算可知其產生的鉛鋰氧化物體積小于0.1L，利用(4)式計算，介質的實際電導率為純鉛鋰的99.9%，導致MHD壓降理論值會偏大0.1%。分析說明，鉛鋰氧化物對實驗誤差的影響較小。

4) 磁場測量誤差

磁場強度的測量也是直接影響MHD壓降理論計算值的一個因素。實驗時采用高斯計測量磁場強度，高斯計測量精度為±0.50%；而MHD壓降與磁場強度平方成正比關系，因此磁場測量誤差導致的MHD壓降理論計算誤差為±1%?？梢姶艌鰷y量導致的理論值誤差較小。

綜上可知，實驗測量誤差主要在于MHD壓降和鉛鋰流量的測量誤差；溫度和鉛鋰氧化物對鉛鋰電導率的影響較小，從而對實驗誤差影響較??；磁場測量導致的誤差在1%以內，此外，實驗工況鉛鋰流量較低，MHD壓降較小，這給實驗測量帶來了更大難度。

4 總結

基于高溫液態鉛鋰回路DRAGON-IV開展方管MHD壓降測量實驗，實驗測量數據與理論值相比存在一定誤差，測量值相對理論值偏小，最大偏差2.5kPa。此次實驗的鉛鋰流量較低，MHD壓降較小，這給流量和壓降測量帶來了更大的挑戰。實驗誤差主要來源為壓降和流量的測量誤差。在未來實驗中，將進行更大流量范圍的MHD實驗研究，同時將進一步探索鉛鋰流量和壓降測量技術。

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Preliminary Measurement and Analysis on MHD Pressure Drop of Flowing PbLi in Square Tube

YE Jing1,2, ZHU Zhi-qiang2, ZHOU Tao2, MENG Zi2, HUANG Qun-ying2, FDS Team

(1, School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, 230027, China; 2, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui, 230031, China)

Magnetohydrodynamic (MHD) experiment is an important research technique for investigation of the PbLi flow characteristics in the liquid metal blankets which are in high-intensity magnetic field. A measurement experiment of MHD pressure drop of liquid PbLi in square tube has been carried out in the China multi-functional liquid metal PbLi experimental loop DRAGON-IV, the maximum flow rate of PbLi was 0.36m3/h under the magnetic field intensity of 1.88T, the pressure drop of the test section was 13.27kPa, the error was 2.30kPa compared with the theoretical value, and the factors that lead to error have been analyzed.

DRAGON-IV; Magnetohydrodynamic; Pressure drop

2017-03-11

國際熱核聚變實驗堆ITER國內配套項目(2014GB112002，2014GB116000)；中國科學院知識創新工程重要方向項目(KJCX2-YW-N35)；國家自然科學基金項目(11205190)；國家國際科技合作項目(2015DFG62120)

葉 競(1988—)，男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事MHD實驗研究工作

朱志強：zhiqiang.zhu@fds.org.cn

TK312

A

0258-0918(2017)03-0399-06