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液态铅锂合金纯化技术是聚变堆铅锂合金包层关键技术之一,冷阱作为国际上液态金属回路的常用纯化实验装置,其根据液态金属中杂质溶解度随温度下降而减小的原理,使杂质结晶成核、沉淀析出进而分离,以纯化液态金属,避免杂质长期在管道中堆积堵塞回路,影响回路中铅锂合金成分和回路装置的换热效果,并提高设备的使用寿命。从冷阱的结构分析,冷阱主要可分为降温冷却部分和杂质结晶析出两部分,因此研究冷阱过滤芯对杂质的捕集效率问题对冷阱的设计至关重要。由于在线测量手段受限,且在回路中测量冷阱过滤芯捕集效率需要较长的回路运行时间积累才能完成,使得在线测量冷阱的捕集效率较难实现,因此有必要通过其他方法确定丝网过滤芯对杂质的捕集情况。
本论文分别从数值计算和实验研究两方面研究液态金属流速及过滤芯自身结构对冷阱丝网过滤芯的捕集效率影响,利用计算流体力学软件Fluent和FDS团队自主研制的高温铅锂合金旋转实验装置(DRAGON-RT)分别开展了在250℃时,不同规格冷阱过滤芯在不同流速(0.005~0.02m/s)下对铅锂合金中杂质的捕集情况进行了研究。其中数值计算采用Fluent软件中离散相模型(DPM)计算不同规格金属丝网对不同液态金属流速中稀疏相的捕集效率。实验研究通过在DRAGON-RT装置中布置不同规格丝网,并使其在不同转速下捕集液态金属中杂质。数值计算和实验结果表明:1)低铅锂合金流速时(0.005~0.02m/s),冷阱过滤芯对杂质的捕集效率随铅锂合金流速的增加而增大;2)冷阱过滤芯孔隙率较小时,对铅锂合金中杂质的捕集效率更好,具体表现为在过滤芯孔径相同时,过滤芯直径大,捕集效率较高;过滤芯直径相同时,过滤芯孔径较小,捕集效率较高。
本文是首次采用数值计算和实验研究相结合的方法对不同规格丝网在不同流速下对铅锂合金中杂质的捕集效率开展系统的研究,并对计算和实验结果的合理性进行了验证。计算及实验结果可为铅锂合金冷阱的设计提供理论依据和参考,并为其他液态金属冷阱的研究提供借鉴。