近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所研究人員在聚變堆液態(tài)鉛鋰包層安全研究取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《國(guó)際氫能雜志》（International Journal of Hydrogen Energy）上。

氦冷液態(tài)鉛鋰（PbLi）包層被認(rèn)為是聚變反應(yīng)堆候選包層之一，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、載熱能力強(qiáng)、氚增殖比高等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于高能中子輻照、高熱負(fù)荷、大壓力梯度等嚴(yán)苛的服役條件，在增殖區(qū)部分氦氣冷卻管道發(fā)生破裂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致“包層內(nèi)破口事故”（in-box Loss of coolant Accident，in-box LOCA）。事故發(fā)生時(shí)，高壓氦會(huì)迅速注入鉛鋰流道，產(chǎn)生復(fù)雜的兩相流和巨大的壓力沖擊效應(yīng)，可能導(dǎo)致峰值壓力超過(guò)設(shè)計(jì)極限，威脅包層結(jié)構(gòu)的完整性。因此，開(kāi)展箱內(nèi)失穩(wěn)的瞬態(tài)分析，對(duì)提高保護(hù)層的安全性，避免放射性物質(zhì)泄漏具有重要意義。

該項(xiàng)研究建立了流固耦合的雙向耦合模型，并通過(guò)高壓氦氣注入液態(tài)鋰鉛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，然后將驗(yàn)證的模型應(yīng)用于雙功能鋰鉛包層的瞬態(tài)壓力波傳播分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，以探索內(nèi)破口事故下包層結(jié)構(gòu)的完整性。此外，針對(duì)斷裂位置對(duì)壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在任何情況下，液態(tài)鉛鋰包層增殖區(qū)內(nèi)的瞬態(tài)壓力都經(jīng)歷了階梯狀上升期、振蕩期和穩(wěn)定增長(zhǎng)期三個(gè)階段。在壓力峰值出現(xiàn)在壓力振蕩期，其值強(qiáng)烈地依賴(lài)于破裂位置，離進(jìn)口、出口越近，峰值壓力越高，最大壓力達(dá)到進(jìn)口壓力的兩倍以上(~16 MPa)。因此，研究發(fā)現(xiàn)部分局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了允許極限，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。該研究可為氦冷鉛鋰包層的安全設(shè)計(jì)、運(yùn)行和事故緩解措施提供指導(dǎo)。

研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

論文鏈接

實(shí)驗(yàn)裝置及傳感器位置

In-box LOCA 事故下DFLL包層增殖區(qū)內(nèi)壓力變化