液態(tài)鋰與冷卻劑及混凝土相互作用的風(fēng)險研究

在托卡馬克裝置中大規(guī)模應(yīng)用液態(tài)鋰時，事故工況下化學(xué)性質(zhì)活潑的液態(tài)鋰可能與冷卻劑、混凝土及空氣接觸，發(fā)生劇烈的物理化學(xué)作用，威脅裝置的安全。液態(tài)鋰與冷卻劑、混凝土及空氣的相互作用機(jī)制尚不明確，相關(guān)數(shù)學(xué)物理模型尚未建立，極大地制約了液態(tài)鋰應(yīng)用相關(guān)的安全分析。本項目從安全設(shè)計和風(fēng)險分析的角度，開展實驗研究與理論分析，采用鋰液滴可視化觀測實驗和鋰液柱承壓驗證實驗相結(jié)合的方法，開展了克量級到幾十克量級不同規(guī)模的實驗研究，涵蓋了聚變裝置中不同事故條件下液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用的基本現(xiàn)象及壓力峰值典型特征，提出了熔融鋰液滴細(xì)粒化機(jī)理，即“氫氣擴(kuò)散—熱邊界層形成—表面細(xì)?；钡陌l(fā)展路線，解明了液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用的熱量傳遞和能量釋放機(jī)制。建立了液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用熱-化學(xué)爆炸能量轉(zhuǎn)化模型，解明了相互作用過程的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，研究了不同液態(tài)鋰溫度、液態(tài)鋰質(zhì)量、冷卻劑溫度下相互作用的能量釋放及爆炸強(qiáng)度，可開展不同規(guī)模、不同事故條件下液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用機(jī)械載荷的分析及相關(guān)事故后果的評估。通過液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用實驗研究了氫氣產(chǎn)生規(guī)律，液態(tài)鋰質(zhì)量、冷卻劑溫度對產(chǎn)氫速率有顯著影響，其結(jié)果對氫氣風(fēng)險的預(yù)防和控制有重要意義?；趯嶒炑芯苛艘簯B(tài)鋰溫度對液態(tài)鋰與混凝土相互作用過程的影響，分析了高溫液態(tài)鋰在混凝土表面造成消融現(xiàn)象的溫度條件，以及液態(tài)鋰溫度對混凝土最大消融深度和混凝土平均消融速率的作用。基于點燃現(xiàn)象的實驗研究表明，當(dāng)液態(tài)鋰溫度高于400℃時，與空氣氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大于液態(tài)鋰向周圍環(huán)境散失的熱量，局部的液態(tài)鋰溫度迅速升高，液態(tài)鋰能夠在常溫的空氣中發(fā)生點燃。本項目的研究對未來聚變裝置中液態(tài)鋰壁的安全設(shè)計具有重要意義，能夠為液態(tài)鋰應(yīng)用的風(fēng)險分析、事故預(yù)防及運行環(huán)境控制都提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

液態(tài)鋰是聚變裝置第一壁材料的重要選擇之一，其安全評估涉及到事故條件下液態(tài)鋰與冷卻劑、空氣和混凝土的相互作用及其定量的后果。目前其作用過程及詳細(xì)機(jī)理尚不明確，相應(yīng)的物理數(shù)學(xué)模型還未建立，這極大的制約了液態(tài)鋰相關(guān)事故后果的定量分析。本項目通過實驗研究與理論分析相結(jié)合，從安全設(shè)計和風(fēng)險分析的角度，研究液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用過程、闡明氫氣產(chǎn)生及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、建立液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用物理數(shù)學(xué)模型，研究液態(tài)鋰與混凝土相互作用過程、解明混凝土消融的觸發(fā)及傳播條件、建立液態(tài)鋰與混凝土作用物理數(shù)學(xué)模型，為大型的聚變裝置安全分析程序提供技術(shù)支持，對未來聚變裝置中液態(tài)鋰壁的安全設(shè)計、風(fēng)險分析及包層冷卻方案的選擇具有重要意義。

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液態(tài)金屬冷卻劑是指由低熔點堿金屬（如Na、K、Li）和低熔點合金（如Pb-Bi）等構(gòu)成的一種冷卻介質(zhì)，其具有比熱容和熱導(dǎo)率大、熔點低沸點高的特點，常見的液態(tài)金屬冷卻劑有鈉鉀合金、鉛鉍合金和鎵銦合金等。主要應(yīng)用于核反應(yīng)堆冷卻、計算機(jī)芯片散熱等領(lǐng)域。

中文名稱

液態(tài)金屬冷卻劑

英文名稱

liquid metal coolant

定　　義

使用形態(tài)為液態(tài)的金屬冷卻劑?？捎玫挠幸簯B(tài)鈉(Na)、液態(tài)Na-K合金和液態(tài)鋰(Li)。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），金屬材料（二級學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級學(xué)科），裂變堆及聚變堆材料（四級學(xué)科）

摘要 本項目主要采用振動臺試驗的方法，研究了纖維混凝土襯砌與圍巖的地震動力相互作用規(guī)律，提出纖維混凝土作隧道抗震型襯砌思路。本項目主要研究內(nèi)容包括： （1）通過纖維混凝土襯砌-圍巖相互作用的地震模擬振動臺試驗，研究纖維混凝土中纖維等對纖維混凝土襯砌的破壞特征的影響規(guī)律； 基于相似理論，采用 5 m ×5 m 三向地震模擬振動臺進(jìn)行模型試驗，通過輸入不同大小的地震波，研究纖維混凝土襯砌在地震動力作用下的破壞特征，并探討破壞機(jī)理。 試驗結(jié)果表明：素混凝土襯砌抗拉強(qiáng)度低、脆性大，裂縫基本呈直線型，斷口干凈整齊，裂縫擠壓處有明顯掉塊痕跡； 纖維混凝土具有限制裂縫發(fā)展和結(jié)構(gòu)變形的能力；在地震動力作用下，纖維通過黏結(jié)應(yīng)力能夠使混凝土吸收更多能量，降低幅值，反應(yīng)滯后，減輕了地震力對結(jié)構(gòu)的破壞；纖維混凝土襯砌裂縫多呈鋸齒形，擠壓松散的小碎塊通過纖維黏結(jié)在裂縫口。 （2）采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立了纖維混凝土損傷量化的模型，并基于通用程序研究了纖維混凝土加載速率相關(guān)動力損傷彈塑性本構(gòu)模型。 彈塑性損傷模型按照損傷和塑性之間的不同關(guān)系，將損傷和彈性耦合在一起。通過損傷加載函數(shù)屈服函數(shù)來控制耗散，使用單一的損傷和屈服面，使問題大為簡化。 采用加載速率相關(guān)動力損傷本構(gòu)模型可以有效地將動力與靜力損傷演化通過應(yīng)力、應(yīng)變的動力放大系數(shù)聯(lián)系起來。 （3）結(jié)合高烈度區(qū)隧道設(shè)計，進(jìn)行纖維混凝土隧道抗震型襯砌的設(shè)計。 本項目從理論及試驗上研究了纖維混凝土作為隧道抗震型襯砌的可行性，并進(jìn)行工程設(shè)計，本項目的研究成果可為高烈度地震區(qū)山嶺隧道的抗減震技術(shù)提供重要參考。 2100433B

本項目主要采用模型試驗與理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究纖維混凝土襯砌與圍巖的地震動力相互作用規(guī)律，建立纖維混凝土作隧道抗震型襯砌的設(shè)計方法，主要內(nèi)容包括：.（1）通過纖維混凝土襯砌-圍巖相互作用的地震模擬振動臺試驗，研究纖維混凝土中纖維類型、纖維摻量等對纖維混凝土襯砌的破壞特征、塑性變形和耗能能力的影響規(guī)律；并優(yōu)化出不同圍巖條件下纖維混凝土的匹配參數(shù)。.（2）采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對模型試驗結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和驗證；進(jìn)一步分析影響纖維混凝土襯砌抗震性能的其他因素，并研究纖維混凝土隧道襯砌的抗減震機(jī)理。.（3）結(jié)合高烈度區(qū)隧道設(shè)計，綜合考慮其他因素，形成纖維混凝土隧道抗震型襯砌的設(shè)計方法。使所設(shè)計出的纖維混凝土隧道襯砌既能維護(hù)隧道施工期間的穩(wěn)定，又能抵御地震的破壞，既能承載，又能保持隧道使用空間，滿足通風(fēng)、防水、防災(zāi)的要求。