液态锂与冷却剂及混凝土相互作用的风险研究

在托卡马克装置中大规模应用液态锂时，事故工况下化学性质活泼的液态锂可能与冷却剂、混凝土及空气接触，发生剧烈的物理化学作用，威胁装置的安全。液态锂与冷却剂、混凝土及空气的相互作用机制尚不明确，相关数学物理模型尚未建立，极大地制约了液态锂应用相关的安全分析。本项目从安全设计和风险分析的角度，开展实验研究与理论分析，采用锂液滴可视化观测实验和锂液柱承压验证实验相结合的方法，开展了克量级到几十克量级不同规模的实验研究，涵盖了聚变装置中不同事故条件下液态锂与冷却剂相互作用的基本现象及压力峰值典型特征，提出了熔融锂液滴细粒化机理，即“氢气扩散—热边界层形成—表面细粒化”的发展路线，解明了液态锂与冷却剂相互作用的热量传递和能量释放机制。建立了液态锂与冷却剂相互作用热-化学爆炸能量转化模型，解明了相互作用过程的能量转化规律，研究了不同液态锂温度、液态锂质量、冷却剂温度下相互作用的能量释放及爆炸强度，可开展不同规模、不同事故条件下液态锂与冷却剂相互作用机械载荷的分析及相关事故后果的评估。通过液态锂与冷却剂相互作用实验研究了氢气产生规律，液态锂质量、冷却剂温度对产氢速率有显著影响，其结果对氢气风险的预防和控制有重要意义。基于实验研究了液态锂温度对液态锂与混凝土相互作用过程的影响，分析了高温液态锂在混凝土表面造成消融现象的温度条件，以及液态锂温度对混凝土最大消融深度和混凝土平均消融速率的作用。基于点燃现象的实验研究表明，当液态锂温度高于400℃时，与空气氧化反应产生的热量大于液态锂向周围环境散失的热量，局部的液态锂温度迅速升高，液态锂能够在常温的空气中发生点燃。本项目的研究对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计具有重要意义，能够为液态锂应用的风险分析、事故预防及运行环境控制都提供科学依据。 2100433B

液态锂是聚变装置第一壁材料的重要选择之一，其安全评估涉及到事故条件下液态锂与冷却剂、空气和混凝土的相互作用及其定量的后果。目前其作用过程及详细机理尚不明确，相应的物理数学模型还未建立，这极大的制约了液态锂相关事故后果的定量分析。本项目通过实验研究与理论分析相结合，从安全设计和风险分析的角度，研究液态锂与冷却剂相互作用过程、阐明氢气产生及能量转换机制、建立液态锂与冷却剂相互作用物理数学模型，研究液态锂与混凝土相互作用过程、解明混凝土消融的触发及传播条件、建立液态锂与混凝土作用物理数学模型，为大型的聚变装置安全分析程序提供技术支持，对未来聚变装置中液态锂壁的安全设计、风险分析及包层冷却方案的选择具有重要意义。

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液态金属冷却剂是指由低熔点碱金属（如Na、K、Li）和低熔点合金（如Pb-Bi）等构成的一种冷却介质，其具有比热容和热导率大、熔点低沸点高的特点，常见的液态金属冷却剂有钠钾合金、铅铋合金和镓铟合金等。主要应用于核反应堆冷却、计算机芯片散热等领域。

中文名称

液态金属冷却剂

英文名称

liquid metal coolant

定　　义

使用形态为液态的金属冷却剂。可用的有液态钠(Na)、液态Na-K合金和液态锂(Li)。

应用学科

材料科学技术（一级学科），金属材料（二级学科），特殊用途金属材料（三级学科），裂变堆及聚变堆材料（四级学科）

摘要 本项目主要采用振动台试验的方法，研究了纤维混凝土衬砌与围岩的地震动力相互作用规律，提出纤维混凝土作隧道抗震型衬砌思路。本项目主要研究内容包括： （1）通过纤维混凝土衬砌-围岩相互作用的地震模拟振动台试验，研究纤维混凝土中纤维等对纤维混凝土衬砌的破坏特征的影响规律； 基于相似理论，采用 5 m ×5 m 三向地震模拟振动台进行模型试验，通过输入不同大小的地震波，研究纤维混凝土衬砌在地震动力作用下的破坏特征，并探讨破坏机理。 试验结果表明：素混凝土衬砌抗拉强度低、脆性大，裂缝基本呈直线型，断口干净整齐，裂缝挤压处有明显掉块痕迹； 纤维混凝土具有限制裂缝发展和结构变形的能力；在地震动力作用下，纤维通过黏结应力能够使混凝土吸收更多能量，降低幅值，反应滞后，减轻了地震力对结构的破坏；纤维混凝土衬砌裂缝多呈锯齿形，挤压松散的小碎块通过纤维黏结在裂缝口。 （2）采用理论分析和数值模拟相结合的方法，建立了纤维混凝土损伤量化的模型，并基于通用程序研究了纤维混凝土加载速率相关动力损伤弹塑性本构模型。 弹塑性损伤模型按照损伤和塑性之间的不同关系，将损伤和弹性耦合在一起。通过损伤加载函数屈服函数来控制耗散，使用单一的损伤和屈服面，使问题大为简化。 采用加载速率相关动力损伤本构模型可以有效地将动力与静力损伤演化通过应力、应变的动力放大系数联系起来。 （3）结合高烈度区隧道设计，进行纤维混凝土隧道抗震型衬砌的设计。 本项目从理论及试验上研究了纤维混凝土作为隧道抗震型衬砌的可行性，并进行工程设计，本项目的研究成果可为高烈度地震区山岭隧道的抗减震技术提供重要参考。 2100433B

本项目主要采用模型试验与理论分析、数值模拟相结合的方法，研究纤维混凝土衬砌与围岩的地震动力相互作用规律，建立纤维混凝土作隧道抗震型衬砌的设计方法，主要内容包括：.（1）通过纤维混凝土衬砌-围岩相互作用的地震模拟振动台试验，研究纤维混凝土中纤维类型、纤维掺量等对纤维混凝土衬砌的破坏特征、塑性变形和耗能能力的影响规律；并优化出不同围岩条件下纤维混凝土的匹配参数。.（2）采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对模型试验结果进行补充和验证；进一步分析影响纤维混凝土衬砌抗震性能的其他因素，并研究纤维混凝土隧道衬砌的抗减震机理。.（3）结合高烈度区隧道设计，综合考虑其他因素，形成纤维混凝土隧道抗震型衬砌的设计方法。使所设计出的纤维混凝土隧道衬砌既能维护隧道施工期间的稳定，又能抵御地震的破坏，既能承载，又能保持隧道使用空间，满足通风、防水、防灾的要求。