CN106205744A - 一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统及方法 - Google Patents

一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统及方法，包括：平板基底，在所述平板基底上列阵布置槽道装置，所述槽道装置包括供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置。本发明的优点是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用，使液态金属自由表面流动更加稳定；且该结构既可实现面向等离子体部件液态金属的静止状态，也可实现液态金属的流动状态，处于静止状态可达到防止MHD效应影响的目的。

Description

一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统及方法。
背景技术
聚变堆、裂变堆等先进反应堆的热核反应产生极高核热功率密度，其堆内部件如聚变堆堆内面向等离子体包层、偏滤器的第一壁，裂变堆堆芯燃料组件需要规定质量流率的冷却剂流动排出核热，冷却堆内部件。聚变反应堆堆芯中，由于面向等离子体部件(如第一壁和偏滤器)需承受聚变等离子体高表面热负荷及高密度离子流的轰击，会严重缩减面向等离子体部件的寿命，固体材料无法满足未来聚变堆面向等离子部件(PFC)所需求的巨大能量负荷，因此，需要液态金属作为面向等离子体部件材料来减少部件的损耗问题、提高等离子体性能等问题。液态金属作为面向等离子体部件，具有能承受更高通量的中子辐照和表面热负荷，导热性强、具有自我修复能力、易于循环更新等优点，同时流动的液态第一壁通过使用循环、过滤结构，可以实现热量的排除和吸附粒子的循环更新，减少腐蚀并显著地延长面向等离子体部件的使用寿命。
根据磁流体力学的知识，对于磁约束聚变堆，其中的强磁场作用会在流动的液态金属中产生很强的电磁力，它作用在流体上会使液态金属自由表面产生磁流体动力学(MHD)不稳定性，直观上表现为流动阻力急剧增大。流动阻力的增大势必会使得液膜不能连续高速形成并覆盖于偏滤器表面，在聚变堆超强环形磁场的环境中，等离子体放电产生上万安培的等离子体电流，而强磁场和强电场的共同作用，会使液态金属产生指向等离子体的电磁力，因而发生金属液滴的飞溅现象，金属液滴脱离原始液膜进入堆芯等离子体中；飞溅的液滴会造成堆芯等离子的污染，同时会破坏等离子体的反应，严重威胁着聚变堆运行的安全性和稳定性。因此，亟待需要一种能够保持液态金属自由表面稳定流动的系统及方法，以便防止液态金属流动受阻造成液态金属的不稳定性流动。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其能够有效抑制液态金属的飞溅，提高液态金属自由表面流动均匀度，保证液态金属下的支撑结构的有效润湿覆盖。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，包括：平板基底，在所述平板基底上列阵布置槽道装置，所述槽道装置包括供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置。
本发明的另一目的在于提供一种实现液态金属自由表面稳定流动的方法，其特征在于，包括：通过激光加工或机加工在在平板基底的基础上列阵形成槽道装置；对所述槽道装置进行切割以形成供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置；由所述槽道的一端喷嘴处输送液态金属，使液态金属流动于毛细槽道内，通过槽道的毛细力的作用，抑制液态金属的飞溅和不稳定流动。
本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：
首先，整个槽道系统的较薄厚度使其作为液态金属自由表面的各种工程应用中，如聚变堆中面向等离子体部件的任意位置；其次，整个槽道固体材料置于液态金属之下，能很好地保护固体材料于液态金属之下，在聚变堆中保护固体材料免受等离子体的轰击，延长支撑结构的使用寿命；最后，该槽道的狭窄槽道结构，能够产生额外的表面张力，以保证液态金属自由表面的稳定流动，抵制液态金属不润湿引起的阻力，有效地抑制了液态金属的飞溅和不稳定流动。结构简单，制作成本低，可以大面积运用在存在液态金属自由表面流动的各种工程部件中。
附图说明
图1为本发明的第一实施例结构示意图；
图2为本发明的第二实施例结构示意图；
图3为本发明的第三实施例结构示意图；
图4为本发明的第四实施例结构示意图；
图5为本发明的第五实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参照图1，本发明的实现液态金属自由表面稳定流动的系统包括：平板基底1，在所述平板基底1上列阵布置槽道装置2，所述槽道装置包括供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁3厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置。
优选的，所述任意位置基于自由表面流动区域的长度、宽度，可以根据不同的工作条件进行合理设置。
优选地，所述槽道的形状为矩形、正方形、U形、V形或圆弧形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。槽道装置设有喷嘴，所述的槽道和喷嘴的固壁材料可以根据不同的工作条件来进行合理的选择，优选的，槽道和喷嘴的材质为不锈钢、石墨、钼、钨、陶瓷复合材料；液态金属为锂、镓、钠、钾、镓铟锡合金、钠钾合金、锂铅合金或铅铋合金。
优选地，所述槽道是在平板基底的基础上一体成型、激光加工或机加工的方式加工出所需形状。
如图1所示，毛细槽道的形状为矩形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，矩形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。液态金属的流速的范围为0.031-22.110m/s，技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
如图2所示，毛细槽道的形状为正方形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，正方形槽道凸起部分的深度为1mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。液态金属的流速的范围为0.031-22.101m/s，技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
如图3所示，毛细槽道的形状为U形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，U形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。液态金属的流速的范围为0.031-22.099m/s，技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
如图4所示，毛细槽道的形状为V形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，V形槽道凸起部分的深度为1mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。液态金属的流速的范围为0.031-22.098m/s，技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
如图5所示，毛细槽道的形状为圆弧形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，圆弧形槽道为1/4圆弧，圆弧形槽道凸起部分的宽度为0.1mm，圆弧槽道间隙的半径为1mm。液态金属的流速的范围为0.029-22.099m/s，技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
作为本发明实施例的变型，优选地，所述槽道的形状为矩形、正方形、U形、V形和圆弧形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。槽道装置设有喷嘴，所述的槽道和喷嘴的固壁材料可以根据不同的工作条件来进行合理的选择，优选的，槽道和喷嘴的材质为不锈钢、石墨、钼、钨、陶瓷复合材料；液态金属为锂、镓、钠、钾、镓铟锡合金、钠钾合金、锂铅合金或铅铋合金。
优选地，所述槽道是在平板基底的基础上一体成型、激光加工或机加工的方式加工出所需形状。
作为另一实施例，毛细槽道的阵列可以n为间隔分别排列矩形与正方形，n为大于1的整数，n为等间距的相同数字，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，矩形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，正方形槽道凸起部分的深度为1mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
作为另一实施例，毛细槽道的阵列可以n为间隔分别排列矩形与正方形，n为大于1的整数，n为等差数列变化的数字，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，矩形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，正方形槽道凸起部分的深度为1mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
作为另一实施例，毛细槽道的阵列可以n为间隔分别排列矩形与U形，n为大于1的整数，n为等间距的相同数字，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，矩形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，U形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
作为另一实施例，毛细槽道的阵列可以n为间隔分别排列U形、V形与正方形，n为大于1的整数，n为等差数列变化的数字，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，U形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，V形槽道凸起部分的深度为1mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，正方形槽道凸起部分的深度为1mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
作为另一实施例，毛细槽道的阵列可以n为间隔分别排列U形、V形与圆弧形，n为大于1的整数，n为等间距的相同数字，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，U形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，V形槽道凸起部分的深度为1mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，圆弧形槽道为1/4圆弧，圆弧形槽道凸起部分的宽度为0.1mm，圆弧槽道间隙的半径为1mm。技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用
作为另一实施例，毛细槽道的阵列可以n为间隔分别排列矩形、正方形、U形、V形与圆弧形，n为大于1的整数，n为等差数列变化的数字，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。优选的，矩形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，正方形槽道凸起部分的深度为1mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，圆弧形槽道为1/4圆弧，U形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，V形槽道凸起部分的深度为1mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm，圆弧形槽道凸起部分的宽度为0.1mm，圆弧槽道间隙的半径为1mm。技术效果是：不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用。
根据实际应用的需要可以改变毛细槽道2的尺寸，当然随着槽道的改变，槽道凸起部分3的深度与宽度需要随之进行改变；当需要使用时，使液态金属流动于毛细槽道2内，通过槽道2的毛细力的作用，抑制液态金属的飞溅和不稳定流动；
为保证槽道的强度及使用寿命，所述的槽道固壁材料可以根据不同的工作条件来进行合理的选择，本发明中，槽道的材质可选用不锈钢、石墨、钼、钨及陶瓷复合材料；液态金属为锂、镓、钠、钾、镓铟锡合金、钠钾合金、锂铅合金或铅铋合金。
采用多种槽道的结构，以微小尺寸的形式，使整体槽道系统形状多样适用于聚变堆内任意位置。液态金属覆盖于整个槽道固体材料之上，能很好地保护固体材料免受等离子体的轰击，延长支撑结构的使用寿命。槽道结构，能够产生额外的表面张力，削减了液态金属不润湿固体壁面产生的阻力和液态金属流动过程中受到的电磁力，有效地抑制了液态金属的不稳定流动，实现聚变堆堆芯的稳定运行。
本实施例在于提供一种实现液态金属自由表面稳定流动的方法，包括：通过激光加工或机加工在在平板基底的基础上列阵形成槽道装置；对所述槽道装置进行切割以形成供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置；由所述槽道的一端喷嘴处输送液态金属，使液态金属流动于毛细槽道内，通过槽道的毛细力的作用，抑制液态金属的飞溅和不稳定流动不仅可以增大液态金属与固体壁面的接触面积，使黏附力增大，而且槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用，使液态金属自由表面流动更加稳定；且该结构可实现面向等离子体部件的稳定流动状态，实现面向等离子体部件的自我修复，流动带走热负荷以自我冷却的目的，这些优点对于聚变堆的稳定运行都有巨大帮助。
通过本发明中的实现液态金属自由表面稳定流动的方法，不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积，使黏附力增大，而且毛细槽道结构会产生额外的表面张力，这就大大削减了润湿阻力和电磁力的作用，使液态金属自由表面流动更加稳定；且该结构既可实现面向等离子体部件液态金属的静止状态，也可实现液态金属的流动状态，处于静止状态可达到防止MHD效应影响的目的，而流动状态可实现面向等离子体部件的自我修复，流动带走热负荷以自我冷却的目的；这些优点对于聚变堆的稳定运行都有巨大帮助。
本发明的技术方案结构简单，且制作成本低，可以大面积运用在聚变堆面向等离子部件和存在液态金属自由表面流动的各种工程部件中。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，包括：平板基底，在所述平板基底上列阵布置槽道装置，所述槽道装置包括供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置。
2.如权利要求1所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述槽道的形状为矩形、正方形、U形、V形和/或圆弧形，且相邻所述槽道间隙的宽度相等。
3.如权利要求2所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述矩形槽道凸起部分的深度为1.5mm，宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。
4.如权利要求2所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述正方形槽道凸起部分的深度为1mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。
5.如权利要求2所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述U形槽道凸起部分的深度为1.5mm及宽度为0.5mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。
6.如权利要求2所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述V形槽道凸起部分的深度为1mm，相邻所述槽道间隙的宽度为1mm。
7.如权利要求2所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述圆弧形槽道为1/4圆弧，圆弧形槽道凸起部分的宽度为0.1mm，圆弧槽道间隙的半径为1mm。
8.如权利要求1所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述槽道的固壁材料为不锈钢、石墨、钼、钨、陶瓷复合材料。
9.如权利要求1所述的实现液态金属自由表面稳定流动的系统，其特征在于，所述槽道装置与平板基底为一体成型结构。
10.一种实现液态金属自由表面稳定流动的方法，其特征在于，包括：
通过激光加工或机加工在在平板基底的基础上列阵形成槽道装置；
对所述槽道装置进行切割以形成供上部液态金属流动的若干毛细槽道，所述槽道装置的固壁厚度适应于聚变堆中面向等离子体部件的任意位置；
由所述槽道的一端喷嘴处输送液态金属，使液态金属流动于毛细槽道内，通过槽道的毛细力的作用，抑制液态金属的飞溅和不稳定流动。
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