液态金属镓回路搭建及无窗靶实验研究

杨伟峰，张雪荧，王 飞，李 龙，赵 强，魏计房，强成文

(中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000)

加速器驱动的次临界系统(ADS)是目前最安全有效的核废料处置技术方案，它包括强流质子加速器、液态金属散裂靶及次临界反应堆3个部分。中国科学院已开展“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”战略性先导科技专项的研究[1]。液态金属散裂靶作为强流质子加速器和次临界反应堆的耦合装置，在ADS系统中起至关重要的作用。铅铋共晶体(LBE)具有良好的中子学性能、抗辐照性能和传热性能，是目前认可的散裂靶首选材料[2]。

根据几何构型的不同，液态金属散裂靶可分为有窗靶和无窗靶。无窗靶是现阶段最有应用前景的散裂靶构型方案，国内外已开展大量研究[3-5]。无窗靶要求在束流管道内形成稳定的自由液面，以保证稳定的中子产额与分布，并满足加速器出口高真空度的要求及实现反应堆内部高功率热量的有效传输。由于液态金属是不透明介质，很难直接观测自由液面区域的流场与形状，目前实验大多使用水作模拟介质[6-7]。然而，水和液态金属性质的差异使研究工作无法实现根本性突破，必须使用液态金属才能更有效地开展研究。镓是一种具有特殊性质的金属，它的熔点很低，为29.78 ℃，而沸点极高，达到2 403 ℃，并且无毒性，安全易用。用镓模拟LBE，可在更低温度下进行，降低了对实验设备的要求，在初期实验研究中具有较大优势。且在相同靶件几何结构及相同热工流体工况下与水(20 ℃)相比[3]，镓(50 ℃)与LBE(400 ℃)的几个基本的热工流体相似准则数(斯特劳哈数、雷诺数、弗劳德数、韦伯数、界面剪切数)更接近，说明它们具有更相似的热工流体性质，用镓模拟LBE更符合实际要求。

研究液态金属散裂靶离不开模拟计算和实验验证。在流动与传热方面，模拟计算通常使用FLUENT、CFX等商用软件，而实验验证需搭建实验平台。液态金属实验回路是研究不同无窗靶构型下液态金属流动及传热特性的必备实验平台，可为散裂靶模拟设计提供重要的实验依据。中国科学院近代物理研究所承担中国科学院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”子项目“重金属散裂靶”的研究，在前期实验研究阶段，为对计算模拟进行实验验证，设计并搭建一套小型的液态金属镓实验回路。本文介绍该回路的设计思路、组成部分、基本功能及运行流程，然后分析回路中离心泵前后、实验靶段前后的压力分布及压差随流量的变化关系，最后给出无窗靶自由液面的位置、形态随流量的变化规律并做简要理论分析。

1 实验回路设计

液态金属镓回路基于无窗靶概念设计，开展液态镓流体在无窗靶构型下流场、压力场与自由液面的测量与研究。回路设计使用CATIA三维设计软件，设计效果如图1所示。回路主要部件为：1台机械式离心泵、2个截止阀、1台电磁流量计、4个压力变送器、1个储料罐、1个实验靶段。回路放在密闭的玻璃隔间内，内置热风机使回路所处环境温度维持在室温～80 ℃范围。

图1 液态金属镓回路设计示意图

回路设计时主要考虑以下几点。

1) 流体驱动设备选用普通的衬塑型离心式机械水泵。由于镓的密度约为水的6倍，所以更换泵的电机，使其功率增加到原来的2倍以上，同时使用变频器调节控制泵的转速。为使实验结束后，泵中残留的液态镓能回收干净，在泵的底部开一小孔，并通过一个截止阀连接到储料罐中。

2) 压力测量选用压力变送器，使用耐高温平膜接口型，以防镓凝固时堵塞接口；流量测量选用电磁流量计，使用聚四氟乙烯衬底，可满足工作温度及介质腐蚀的要求；实验靶段内置微型内窥镜实现对无窗靶中自由液面形态的拍照及摄像；实验靶段顶部安装电导型液位开关，用于显示填料时需达到的液位高度。

3) 实验段基于无窗靶概念设计，具体结构及尺寸如图2所示。实验段使用有机玻璃材质加工而成，这样可从实验段外直接观察靶区局部的流动形态，这在初期实验中尤为重要，为实验操作提供了便利。实验靶段上部空间较大，为流体缓冲区，然后逐渐收缩，与内管一起构成环形喷嘴，此处即无窗靶自由液面形成区域。

图2 无窗靶结构及尺寸

液态金属镓回路在使用时按如下流程进行：在密闭的玻璃隔间内由热风机产生热空气，使回路环境温度稳定在50 ℃左右；加热储料罐中的固态金属镓，使其熔化成液态并保持在50 ℃左右；向储料罐中充入氩气，使容器内部的压力升高，直至将液态镓压出，经过管道到达液位开关指示高度；关闭储料罐上面的两个阀门，使液态镓停留在回路中；启动离心式机械泵，用变频器调节其转速，开始实验，并用无纸记录仪实时记录测量数据；实验完成后打开阀门，使回路及离心泵中的液态镓均流入储料罐；最后，关闭热风机，自然冷却至初始状态。

2 无窗靶实验

开展液态金属回路中的无窗靶实验研究，主要目的是了解回路中压力分布、压差和自由液面位置、形态随流量的变化关系，从而进一步分析自由液面形成的条件及控制方式，掌握不同无窗靶构型对自由液面形成及自由液面区域流场的影响规律，然后通过实验数据与计算模拟结果的相互比对校验，逐步完善无窗靶设计。

实验前，使靶段缓冲区和内管均接通大气，使它们处在1个大气压的恒压环境中。实验按以下步骤展开：首先，填充液态镓到回路中，直至高于内管出口17.7 cm左右，此即为初始液位h0；然后，通过变频器调节离心泵转速，用电磁流量计测量回路中的流量Q，用压力变送器测量回路中的泵前压力p1、泵后压力p2、靶前压力p3、靶后压力p4；待流动稳定后，测量内管中的自由液面位置h(以高出内管口的长度计算)，并用内窥镜拍摄液面形状。对测量到的实时流量和压力取时间平均。将实验结果列于表1。

表1 不同泵转速比下液态镓回路中的流量、压力及自由液面位置

注：1) 在离心泵转速未知的情况下，用转速比r表征离心泵转速的相对大小，转速比=泵实际转速/泵最大转速=泵运行频率/泵最大运行频率(50 Hz)

3 实验结果分析

回路中的液态镓流体的流动形态由雷诺数Re决定，有：

Re=ρDv/μ

(1)

式中：ρ为液态镓的密度，随温度T的变化关系为ρ=6 077-0.611(T-302.914) (kg·m-3)[8]，50 ℃时ρ=6 065 kg·m-3；D为回路管道的内径，D=26 mm；v为回路中液态镓的平均流速，与Q的关系为Q=vπ(D/2)2；μ为液态镓的黏度，随T的变化关系为μ=10-0.446 5+204.03/T(mPa·s)[8]，50 ℃时μ=1.532×10-3Pa·s。由式(1)可得出：r=10%时，Re=12 391；r=20%时，Re=24 782；…；r=70%时，Re=71 868。可见，对于实验中测量的7种工况，对应雷诺数均在10 000以上，所以，回路中的流动状态均为湍流。相对于层流，湍流更利于传热，但湍流也会引起很多的漩涡，不利于自由液面的稳定。

图3为回路中泵前后、靶前后的压力及压差随流量的变化。实验开始时，回路中的镓处于静止状态，此时测量到的压力取决于测量位置与最高液位的高度差，即pi0=ρgΔhi(i=1,2,3,4)，所以，p10最大，p30最小。启动泵后，回路中的镓开始流动，此时测量到的压力随流速而发生变化，如图3a所示。泵两侧的压差表示为Δp1=(p2-p20)-(p1-p10)，靶两侧的压差表示为Δp2=(p4-p40)-(p3-p30)，它们随Q的变化关系如图3b所示。可看出，Δp1随Q的增大而增大，Δp2随Q的增大而减小。Δp1决定泵输送流体介质时输出的能量，由泵转速决定；Δp2反映流体从靶入口到靶出口的压力变化，由靶区内部的阻力损失和重力加速决定。

图3 液态镓回路中压力(a)与压差(b)随流量的变化

图4 无窗靶内自由液面位置随流量变化的曲线及自由液面形态照片

图4为无窗靶内自由液面位置随流量变化的曲线及自由液面形态照片。从图4可看出，随回路中流量的不断增大，自由液面位置随之降低。当流量达1.37 m3·h-1时，液面位置降至0.5 cm。而后随流量的继续增大，液位虽有所降低，但变化范围很小，除去测量误差的影响，可认为液面基本稳定在内管出口位置。对比自由液面的形态照片可发现，随流量的增加，液面波动程度加大，这是由于高流速下内管口出现涡旋，影响了自由液面的稳定程度。

由以上实验测量结果可知，对于当前无窗靶构型，在一定流速范围内，自由液面基本稳定在内管口附近，但自由液面的稳定性需进一步研究。对于当前的实验条件，由于回路中的流动状态为湍流，所以不能做精确的理论分析，仅从理想模型出发并适当结合实验条件对靶区流体状态做简略分析：记靶区缓冲箱内部液面的绝对压力为p4，液面处流速为v4；内管自由液面的绝对压力为p5，对应环形流道内流速为v5，假设靶区流体满足伯努利方程，可得到：

(2)

式中，hf为靶区内部流体的阻力损失(假设它不随流体速度而变化)。在稳定状态下，v4≈0，则：

(3)

实际应用时，应满足p5→0，即绝对真空，此时，式(3)变为：

(4)

进而得到：

(5)

可见，自由液面的位置主要由p4、v5、hf决定。当h=0时，满足：

(6)

这就是理想情况下自由液面形成所必须具备的条件。从而得到：

(7)

4 小结

1) 随回路中流量的增大，自由液面位置逐渐降低，直至抵达内管口，但液面的稳定性也随之降低。

2) 无窗靶自由液面的位置主要由流体压力和流速决定，通过调节压力和流速可实现对自由液面位置的调节。

下一步将开展负压下液态镓回路中的无窗靶实验，研究不同压力环境下自由液面位置的调节方法和自由液面形态的控制方法，同时进行不同靶型下的计算模拟结果与实验测量结果的相互校验。

参考文献：

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