方管内液态铅锂流动MHD压降初步测量与分析

叶 竞，朱志强，周 涛，孟 孜，黄群英，FDS团队

(1.中国科学技术大学，安徽 合肥，230027； 2.中国科学院核能安全技术研究所，安徽 合肥 230031)



方管内液态铅锂流动MHD压降初步测量与分析

叶 竞1,2，朱志强2，周 涛2，孟 孜2，黄群英2，FDS团队

(1.中国科学技术大学，安徽 合肥，230027； 2.中国科学院核能安全技术研究所，安徽 合肥 230031)

磁流体动力学(MHD)实验是研究聚变堆包层内液态铅锂在强磁场环境下流动特性的重要方法。本文基于中国多功能液态铅锂实验回路DRAGON-IV开展方管MHD压降测量实验，在磁场强度为1.88T和最大铅锂流量为0.36m3/h时，方管实验段均匀磁场区压降为13.27kPa，与理论值偏差为2.30kPa，并对导致实验误差的因素进行了分析。

DRAGON-IV；磁流体动力学；压降

在聚变堆包层研究中，液态铅锂包层具有诸多优势，如复杂几何适应性、高氚增殖比、在线提氚和换料、安全性经济性好等[1-3]，因而被视为未来聚变堆液态包层的首选方案，并在国际上广泛研究[4-7]。目前国际上提出的几种铅锂概念包层有铅锂自冷包层SCLL、铅锂双冷包层DCLL、水冷铅锂包层WCLL和氦冷铅锂包层HCLL[8]。在国内，FDS团队开展了系列铅锂包层概念设计工作[9-11]。聚变堆包层所处环境复杂，如强磁场、强腐蚀、强辐射等，因此液态金属铅锂在包层中流动会引起很多技术问题，如液态金属铅锂与包层材料间的相容性问题，液态金属铅锂在强磁场环境下的磁流体动力学(MHD)效应等，其中MHD效应是不可忽略的关键问题之一[12]。受到高温液态金属实验测量技技术的限制，国际上以铅锂为介质的MHD实验较少。美国MaPLE (Magnetohydrodynamic PbLi Experiment)液态铅锂回路[13]开展了带绝缘层的矩形管道MHD实验；韩国ELLI(Experimental Loop for LIquid breeder)铅锂回路[14]已完成了建造和前期的试运行，即将开展MHD实验研究。

国内FDS团队正在开展MHD实验研究，中国多功能液态铅锂实验回路DRAGON-IV[15-16]于2009年完成建造，主要开展MHD效应和铅锂腐蚀性实验研究，为聚变堆MHD效应实验提供了良好的测试平台。本论文依托DRAGON-IV回路，开展了方管内液态铅锂MHD压降测量实验。

1 DRAGON-IV回路

1.1 回路简介

DRAGON-IV回路结构原理图如图1所示，它主要由主回路、辅助回路、气体回路(氩气保护/真空抽气系统)、加热系统、综合测量与控制系统构成，主回路由MHD实验段、高温腐蚀实验段、应力腐蚀实验段和TBM实验段组成，各实验段通过控制相应的液态金属阀门实现单独实验。辅助回路是回路中液态金属铅锂进行纯化的单元。

图1 DRGON-IV回路原理图Fig.1 Scheme of the DRGON-IV loop

其中，MHD实验子回路主要部件包括：储藏罐、膨胀箱、电磁泵、加热器、电磁铁等主要设备，测量仪器仪表主要包括电磁流量计、差压传感器、热电偶与液位计等。

1.2 MHD实验段

MHD实验段为方形管道，实验段材料采用316L钢，实验段总长度为1500mm。整个实验段水平放置在电磁铁两个磁极间，磁场在竖直方向穿过实验段。实验段中间400mm区间处于均匀磁场环境下(见图2)，在实验段磁场均匀区两端引出两个内径为1.5cm、长度为30cm的引压管，其作用是将液态铅锂引出，将其接到差压计，测量实验段的MHD压降。具体的实验段参数见表1，实验段照片见图3。

2 实验内容

2.1 理论MHD压降

在直方管段内MHD压降可通过经验公式计算[17]。MHD压降除了与铅锂的电导率、流速和磁场有关外, 还与管壁的电导率、厚度和管道尺寸等密切相关。相关的计算参数见表1。

表1 MHD实验段参数Table1 Parameters of the MHD experiment duct

ΔP=K·L·σ·B2·v

(1)

式中：L为磁场均匀段长度，m；σ为液态铅锂电导率，S/m；v为实验段铅锂流速，m/s；B为实验段磁场强度，T；K为修正因子。

图2 实验段轴向磁场分布Fig.2 Profile of the magnetic field on the axial line of magnet

图3 MHD实验段照片Fig.3 Picture of the MHD experiment duct

2.2 实验过程

实验时，铅锂在储藏罐中加热熔化后，通过氩气将铅锂压入已经抽成真空且充分预热后的回路中，此时开启电磁泵，驱动铅锂形成循环。

MHD实验前需要进行充分浸润，其目的是使实验段内壁与铅锂有充分的电接触，以使铅锂和壁面间的接触电阻最小化。浸润时不加磁场，即磁场强度为0，此时铅锂的流速较小，控制实验段内铅锂的温度在300～350 ℃，保持这一运行工况持续浸润60 h左右。在浸润过程中，时刻监测回路内的铅锂流量和温度，以及MHD实验段差压计读数，MHD实验段差压计示数始终为0，这表明差压计工作正常。

实验中分别测量了磁场分别为1.10T、1.57T、1.74T、1.88T时铅锂在各不同流量(流速)下的MHD压降，并对结果进行了分析。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

实验测量结果见表2。在1.88T磁场条件下，铅锂的最大流量为0.36m3/h；无磁场条件下铅锂的最大流量为0.88 m3/h。可知在强磁场下裸壁管道内液态铅锂MHD效应非常明显，在驱动压头一定的条件下，MHD效应明显地增大了流阻，减小了铅锂流量。

表2 实验段压降测量结果

续表

根据公式(1)可得MHD实验段在各场强和流量下的MHD压降。将各流量和磁场强度下的MHD压降理论计算值与测量值对比，结果见图4，可以看出：

图4 MHD实验测量值与计算值对比Fig.4 Comparison of measured values with the theoretical values of MHD experiment(a) B=1.10T；(b) B=1.57T；(c) B=1.74T；(d) B=1.88T

磁场分别为1.10T、1.54 T、1.74 T、1.88T时，所测量的7个不同流量对应的压降值与理论值偏差分别在0.28～0.57kPa，1.04～2.46kPa，1.40～2.10kPa，0.60～2.46kPa之间。测量值与理论值有一定的偏差，且所有测量值均小于理论值，测量值与理论值偏差最大为2.46kPa。这说明压降测量值偏小，或者流量测量值偏大，从而得到的实验段铅锂平均流速偏大，导致计算的理论压降值偏大。

3.2 误差分析

在实验过程中，导致误差的主要原因有以下四点：

1) 压降测量误差

实验采用的差压计，适用最高介质温度为350℃，其表头精度为0.025%，压降测量系统精度为0.1%，量程为0～245kPa。此外，此次实验的MHD压降值较小(最大理论压降值为15.67kPa)，待测量压降值相对于差压计量程很小，影响压降测量精度。

2) 流量测量误差

实验段铅锂平均流速可根据测量的铅锂流量和实验段管道内部截面积计算得到，而铅锂平均流速的大小和精度将直接影响MHD压降理论计算值的大小和精度。因此，流量测量值的误差将直接影响到MHD压降实验值与理论值之间的误差大小。实验采用电磁流量计测量铅锂流量。电磁流量计利用电磁感应定律，当导电介质以一定速度垂直于磁场流动时，在介质中会感应出电动势，其大小与磁通密度、介质性质有关，电动势的方向与速度方向和磁场方向相互垂直，其基本关系式为[18]：

E=d·B·v

(2)

式中：E为感应电动势，V；d为电磁流量计内径，m；B为磁场强度，T；v为介质流速，m/s。

电磁流量计在实验前经过标定，其精度为5%。

3) 铅锂电导率的影响

从方程(1)可以看到，液态铅锂电导率σ是一个可以带来误差的因素，它直接影响MHD压降理论计算值，而影响铅锂电导率有两个因素，温度和铅锂氧化物。

液态铅锂电导率与温度的函数关系[19]：

(3)

式中：T为铅锂温度，K；σl为液态铅锂电导率，S/m。实验运行时铅锂温度为350℃，运行温度偏差在±5℃以内，由公式(3)可算得电导率的偏差在0.17%以内，可见，温度对于铅锂电导率影响较小。

铅锂被氧化也会影响铅锂的电导率，锂的氧化物为绝缘体，而铅的氧化物电导率只有10-2S/m，为铅锂电导率的1/108[19]。可将实验介质看成铅锂与铅锂氧化物的混合物。

混合物电导率计算公式[21]：

(4)

式中：σ1为混合物中，含量很少的一种物质(杂质)的电导率，S/m；φ为此种物质所占体积分数；σ2为主要成分的电导率，S/m。

将铅锂氧化物电导率设为σ1，铅锂电导率设为σ2，以σ2=108×σ1计算σM/σ2随φ变化情况。

实验回路中储存罐内铅锂体积为100L，假设储存罐内氧气完全参与氧化反应，经计算可知其产生的铅锂氧化物体积小于0.1L，利用(4)式计算，介质的实际电导率为纯铅锂的99.9%，导致MHD压降理论值会偏大0.1%。分析说明，铅锂氧化物对实验误差的影响较小。

4) 磁场测量误差

磁场强度的测量也是直接影响MHD压降理论计算值的一个因素。实验时采用高斯计测量磁场强度，高斯计测量精度为±0.50%；而MHD压降与磁场强度平方成正比关系，因此磁场测量误差导致的MHD压降理论计算误差为±1%。可见磁场测量导致的理论值误差较小。

综上可知，实验测量误差主要在于MHD压降和铅锂流量的测量误差；温度和铅锂氧化物对铅锂电导率的影响较小，从而对实验误差影响较小；磁场测量导致的误差在1%以内，此外，实验工况铅锂流量较低，MHD压降较小，这给实验测量带来了更大难度。

4 总结

基于高温液态铅锂回路DRAGON-IV开展方管MHD压降测量实验，实验测量数据与理论值相比存在一定误差，测量值相对理论值偏小，最大偏差2.5kPa。此次实验的铅锂流量较低，MHD压降较小，这给流量和压降测量带来了更大的挑战。实验误差主要来源为压降和流量的测量误差。在未来实验中，将进行更大流量范围的MHD实验研究，同时将进一步探索铅锂流量和压降测量技术。

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Preliminary Measurement and Analysis on MHD Pressure Drop of Flowing PbLi in Square Tube

YE Jing1,2, ZHU Zhi-qiang2, ZHOU Tao2, MENG Zi2, HUANG Qun-ying2, FDS Team

(1, School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, 230027, China; 2, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui, 230031, China)

Magnetohydrodynamic (MHD) experiment is an important research technique for investigation of the PbLi flow characteristics in the liquid metal blankets which are in high-intensity magnetic field. A measurement experiment of MHD pressure drop of liquid PbLi in square tube has been carried out in the China multi-functional liquid metal PbLi experimental loop DRAGON-IV, the maximum flow rate of PbLi was 0.36m3/h under the magnetic field intensity of 1.88T, the pressure drop of the test section was 13.27kPa, the error was 2.30kPa compared with the theoretical value, and the factors that lead to error have been analyzed.

DRAGON-IV; Magnetohydrodynamic; Pressure drop

2017-03-11

国际热核聚变实验堆ITER国内配套项目(2014GB112002，2014GB116000)；中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2-YW-N35)；国家自然科学基金项目(11205190)；国家国际科技合作项目(2015DFG62120)

叶 竞(1988—)，男，江西上饶人，硕士研究生，主要从事MHD实验研究工作

朱志强：zhiqiang.zhu@fds.org.cn

TK312

A

0258-0918(2017)03-0399-06