液態(tài)鋰與冷卻劑及混凝土相互作用的風(fēng)險(xiǎn)研究結(jié)題摘要

在托卡馬克裝置中大規(guī)模應(yīng)用液態(tài)鋰時(shí)，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(xiàng)目從安全設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析的角度，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，采用鋰液滴可視化觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和鋰液柱承壓驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展了克量級(jí)到幾十克量級(jí)不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)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)?；瘷C(jī)理，即“氫氣擴(kuò)散—熱邊界層形成—表面細(xì)粒化”的發(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(guò)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(kāi)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(píng)估。通過(guò)液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)研究了氫氣產(chǎn)生規(guī)律，液態(tài)鋰質(zhì)量、冷卻劑溫度對(duì)產(chǎn)氫速率有顯著影響，其結(jié)果對(duì)氫氣風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和控制有重要意義?；趯?shí)驗(yàn)研究了液態(tài)鋰溫度對(duì)液態(tài)鋰與混凝土相互作用過(guò)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(duì)混凝土最大消融深度和混凝土平均消融速率的作用?；邳c(diǎn)燃現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)液態(tài)鋰溫度高于400℃時(shí)，與空氣氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大于液態(tài)鋰向周?chē)h(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(diǎn)燃。本項(xiàng)目的研究對(duì)未來(lái)聚變裝置中液態(tài)鋰壁的安全設(shè)計(jì)具有重要意義，能夠?yàn)橐簯B(tài)鋰應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)分析、事故預(yù)防及運(yùn)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(píng)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(guò)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(xiàng)目通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合，從安全設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析的角度，研究液態(tài)鋰與冷卻劑相互作用過(guò)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(guò)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(duì)未來(lái)聚變裝置中液態(tài)鋰壁的安全設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)分析及包層冷卻方案的選擇具有重要意義。

本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)與應(yīng)用工作項(xiàng)目 審核 。

液態(tài)金屬冷卻劑是指由低熔點(diǎn)堿金屬（如Na、K、Li）和低熔點(diǎn)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(diǎn)低沸點(diǎn)高的特點(diǎn)，常見(jiàn)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(jì)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(jí)學(xué)科），金屬材料（二級(jí)學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級(jí)學(xué)科），裂變堆及聚變堆材料（四級(jí)學(xué)科）

摘要 本項(xiàng)目主要采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的方法，研究了纖維混凝土襯砌與圍巖的地震動(dòng)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(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容包括： （1）通過(guò)纖維混凝土襯砌-圍巖相互作用的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究纖維混凝土中纖維等對(duì)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(dòng)臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)，通過(guò)輸入不同大小的地震波，研究纖維混凝土襯砌在地震動(dòng)力作用下的破壞特征，并探討破壞機(jī)理。 試驗(yàn)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(dòng)力作用下，纖維通過(guò)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(duì)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(guò)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(dòng)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(guò)損傷加載函數(shù)屈服函數(shù)來(lái)控制耗散，使用單一的損傷和屈服面，使問(wèn)題大為簡(jiǎn)化。 采用加載速率相關(guān)動(dòng)力損傷本構(gòu)模型可以有效地將動(dòng)力與靜力損傷演化通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變的動(dòng)力放大系數(shù)聯(lián)系起來(lái)。 （3）結(jié)合高烈度區(qū)隧道設(shè)計(jì)，進(jìn)行纖維混凝土隧道抗震型襯砌的設(shè)計(jì)。 本項(xiàng)目從理論及試驗(yàn)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(jì)，本項(xiàng)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(xiàng)目主要采用模型試驗(yàn)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(dòng)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(jì)方法，主要內(nèi)容包括：.（1）通過(guò)纖維混凝土襯砌-圍巖相互作用的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究纖維混凝土中纖維類型、纖維摻量等對(duì)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(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)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(jì)，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(jì)方法。使所設(shè)計(jì)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。