聚变堆液态包层mhd效应的研究现状与发展

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1、总第２１４期舰船电子工程Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．４２０１２年第４期ＳｈｉｐＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ１２６＊聚变堆液态包层ＭＨＤ效应的研究现状与发展汪卫华陈侠（陆军军官学院合肥２３００３１）摘要聚变堆包层液态金属在强磁场中流动引起磁流体动力学效应，会改变其流动和传热特性，造成严重的压力损失，是液态金属包层研发的关键问题。该文依据受控轻核聚变及其液态包层的发展需求，综述了包层磁流体动力学问题的主要研究方法及国内外研究现状，并比较了不同ＭＨＤ数值模拟软件的特点。关键词聚变堆；包层；磁流体动力力学中图分类号Ｏ３６１．３Ｒｅｓｅａ

2、ｒｃｈｏｎＳｔａｔｅａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＦｕｓｉｏｎＲｅａｃｔｏｒＬｉｑｕｉｄＢｌａｎｋｅｔＭａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓＥｆｆｅｃｔＷＡＮＧＷｅｉｈｕａＣＨＥＮＸｉａ（ＡｒｍｙＯｆｆｉｃｅｒＡｃａｄｅｍｙｏｆＰＬＡ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅＭａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（ＭＨＤ）ｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｓｔｒｏｎｇｍａｇｅｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｏｒｌｉｑｕｉｄｂｌａｎｋｅｔｃａｎｃｈａｎｇｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉ－ｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｈｅａｔｔｒａｎ

3、ｓｆｅｒｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｍａｋｅｓｔｈｅｇｒｅａｔｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｌｉｑｕｉｄｍｅｔａｌｂｌａｎｋｅｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｌｉｇｈｔｎｕｃｌｅａｒａｎｄｔｈｅｌｉｑｕｉｄｂｌａｎｋｅｔ，ｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄｔｈｅｍａｊｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｔｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｄｉ

4、ｆｆｅｒｅｎｔＭＨＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｅｓｏｆｔｗａｒｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｏｒ，ｂｌａｎｋｅｔ，ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（ＭＨＤ）ＣｌａｓｓＮｕｍｂｅｒＯ３６１．３化碳、硫、氮氧化物等环境污染物质，没有直接的放射性）、１受控核聚变经济（燃料大量存在，利用率高）又和平（核聚变反应不会造能源是社会和经济发展的基础，是人类生活和生产不成核扩散问题，保证了和平的利用核能）的现代能源。可缺少的条件。目前，世界上消耗的能源主要来自于煤、石２聚变堆液态包层磁流体动力学效应油、天然气等化石能源，但

5、这些能源利用率低，会对环境造成严重的污染，而且这些化石能源本身也日趋枯竭。为了图２所示为聚变堆原理，堆芯高温等离子体发生聚变缓解人类能源问题，缓和人与自然环境的矛盾，除了积极开反应，产生的高能中子进入包层。在聚变堆中，包层是实现发太阳能、风能和潮汐能以及生物质能等可再生能源外，聚具有诱人的低发电成本和高环境适应性的聚变能源应用的变能是目前认识到的可以最终解决人类能源和环境问题的关键能量转换部件，其主要功能包括能量提取与转换、氚增最重要途径之一。殖和辐射屏蔽等。包层技术是聚变能最终走向商业应用的图１所示为轻核聚变关键核心技术，是决定聚

6、变堆工程成败的核心问题之一。反应原理，由于氘氚核聚变反应可以释放出大量能量，其燃料氘和锂在地球上的储量巨大，几乎是取之不尽，用之不竭的，一旦成功，可以一劳永逸地解决人类的能源需求。与煤、石油和天然气等能图１轻核聚变反应原理图源相比，它是公认的可大规模替代常规能源的既洁净（氘氚反应的产物不产生二氧图２聚变堆原理示意图＊收稿日期：２０１２年１０月１２日，修回日期：２０１２年１１月２９日基金项目：国家自然科学基金项目（编号：５１０７６１６６）资助。作者简介：汪卫华，男，博士，硕士生导师，教授，研究方向：聚变堆及其关键部件包层设计，包层热工

7、水力学设计与分析，流体动力学数值模拟，可靠性工程等。陈侠，男，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术。２０１２年第４期舰船电子工程１２７在聚变堆包层研究中，液态金属包层由于其具有复杂几何对简单直管流道内的充分发展流动积分求解，对于复杂的适应性、高氚增殖比、在线取氚和换料等诸多优势而作为优ＭＨＤ流动，如流道形状复杂多样、磁场存在梯度等，ＭＨＤ先发展方案，是聚变堆包层研究的热点。但是，液态包层存控制方程包含的方程个数非常多，而且具有非线性的特点，在有不同于固态包层的特殊问题，如液态金属磁流体动力不能近似简化，要得到相应的理论分析解几乎是不

8、可能的。学（ＭａｇｎｅｔｏＨｙｄｒｏＤｙｎａｍｉｃ，ＭＨＤ）效应就是其中的关键问３．２ＭＨＤ实验研究题之一，即导电的液态金属在聚变强磁场环境下流动引起由于理论分析的局限性，同时为了验证ＭＨＤ的相关结的附加ＭＨＤ压降，对液态金属冷却剂的