本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

聚變堆、裂變堆等先進(jìn)反應(yīng)堆的熱核反應(yīng)產(chǎn)生極高核熱功率密度，其堆內(nèi)部件如聚變堆堆內(nèi)面向等離子體包層、偏濾器的第一壁，裂變堆堆芯燃料組件需要規(guī)定質(zhì)量流率的冷卻劑流動(dòng)排出核熱，冷卻堆內(nèi)部件。聚變反應(yīng)堆堆芯中，由于面向等離子體部件(如第一壁和偏濾器)需承受聚變等離子體高表面熱負(fù)荷及高密度離子流的轟擊，會(huì)嚴(yán)重縮減面向等離子體部件的壽命，固體材料無法滿足未來聚變堆面向等離子部件(PFC)所需求的巨大能量負(fù)荷，因此，需要液態(tài)金屬作為面向等離子體部件材料來減少部件的損耗問題、提高等離子體性能等問題。液態(tài)金屬作為面向等離子體部件，具有能承受更高通量的中子輻照和表面熱負(fù)荷，導(dǎo)熱性強(qiáng)、具有自我修復(fù)能力、易于循環(huán)更新等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)流動(dòng)的液態(tài)第一壁通過使用循環(huán)、過濾結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)熱量的排除和吸附粒子的循環(huán)更新，減少腐蝕并顯著地延長(zhǎng)面向等離子體部件的使用壽命。

根據(jù)磁流體力學(xué)的知識(shí)，對(duì)于磁約束聚變堆，其中的強(qiáng)磁場(chǎng)作用會(huì)在流動(dòng)的液態(tài)金屬中產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力，它作用在流體上會(huì)使液態(tài)金屬自由表面產(chǎn)生磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)不穩(wěn)定性，直觀上表現(xiàn)為流動(dòng)阻力急劇增大。流動(dòng)阻力的增大勢(shì)必會(huì)使得液膜不能連續(xù)高速形成并覆蓋于偏濾器表面，在聚變堆超強(qiáng)環(huán)形磁場(chǎng)的環(huán)境中，等離子體放電產(chǎn)生上萬安培的等離子體電流，而強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)的共同作用，會(huì)使液態(tài)金屬產(chǎn)生指向等離子體的電磁力，因而發(fā)生金屬液滴的飛濺現(xiàn)象，金屬液滴脫離原始液膜進(jìn)入堆芯等離子體中；飛濺的液滴會(huì)造成堆芯等離子的污染，同時(shí)會(huì)破壞等離子體的反應(yīng)，嚴(yán)重威脅著聚變堆運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。因此，亟待需要一種能夠保持液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)及方法，以便防止液態(tài)金屬流動(dòng)受阻造成液態(tài)金屬的不穩(wěn)定性流動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)，其能夠有效抑制液態(tài)金屬的飛濺，提高液態(tài)金屬自由表面流動(dòng)均勻度，保證液態(tài)金屬下的支撐結(jié)構(gòu)的有效潤(rùn)濕覆蓋。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)，其特征在于，包括：平板基底，在所述平板基底上列陣布置槽道裝置，所述槽道裝置包括供上部液態(tài)金屬流動(dòng)的若干毛細(xì)槽道，所述槽道裝置的固壁厚度適應(yīng)于聚變堆中面向等離子體部件的任意位置。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的方法，其特征在于，包括：通過激光加工或機(jī)加工在在平板基底的基礎(chǔ)上列陣形成槽道裝置；對(duì)所述槽道裝置進(jìn)行切割以形成供上部液態(tài)金屬流動(dòng)的若干毛細(xì)槽道，所述槽道裝置的固壁厚度適應(yīng)于聚變堆中面向等離子體部件的任意位置；由所述槽道的一端噴嘴處輸送液態(tài)金屬，使液態(tài)金屬流動(dòng)于毛細(xì)槽道內(nèi)，通過槽道的毛細(xì)力的作用，抑制液態(tài)金屬的飛濺和不穩(wěn)定流動(dòng)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步：

首先，整個(gè)槽道系統(tǒng)的較薄厚度使其作為液態(tài)金屬自由表面的各種工程應(yīng)用中，如聚變堆中面向等離子體部件的任意位置；其次，整個(gè)槽道固體材料置于液態(tài)金屬之下，能很好地保護(hù)固體材料于液態(tài)金屬之下，在聚變堆中保護(hù)固體材料免受等離子體的轟擊，延長(zhǎng)支撐結(jié)構(gòu)的使用壽命；最后，該槽道的狹窄槽道結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生額外的表面張力，以保證液態(tài)金屬自由表面的穩(wěn)定流動(dòng)，抵制液態(tài)金屬不潤(rùn)濕引起的阻力，有效地抑制了液態(tài)金屬的飛濺和不穩(wěn)定流動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，可以大面積運(yùn)用在存在液態(tài)金屬自由表面流動(dòng)的各種工程部件中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的第四實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的第五實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的系統(tǒng)包括：平板基底1，在所述平板基底1上列陣布置槽道裝置2，所述槽道裝置包括供上部液態(tài)金屬流動(dòng)的若干毛細(xì)槽道，所述槽道裝置的固壁3厚度適應(yīng)于聚變堆中面向等離子體部件的任意位置。

優(yōu)選的，所述任意位置基于自由表面流動(dòng)區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度，可以根據(jù)不同的工作條件進(jìn)行合理設(shè)置。

優(yōu)選地，所述槽道的形狀為矩形、正方形、U形、V形或圓弧形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。槽道裝置設(shè)有噴嘴，所述的槽道和噴嘴的固壁材料可以根據(jù)不同的工作條件來進(jìn)行合理的選擇，優(yōu)選的，槽道和噴嘴的材質(zhì)為不銹鋼、石墨、鉬、鎢、陶瓷復(fù)合材料；液態(tài)金屬為鋰、鎵、鈉、鉀、鎵銦錫合金、鈉鉀合金、鋰鉛合金或鉛鉍合金。

優(yōu)選地，所述槽道是在平板基底的基礎(chǔ)上一體成型、激光加工或機(jī)加工的方式加工出所需形狀。

如圖1所示，毛細(xì)槽道的形狀為矩形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，矩形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。液態(tài)金屬的流速的范圍為0.031-22.110m/s，技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

如圖2所示，毛細(xì)槽道的形狀為正方形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，正方形槽道凸起部分的深度為1mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。液態(tài)金屬的流速的范圍為0.031-22.101m/s，技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

如圖3所示，毛細(xì)槽道的形狀為U形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，U形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。液態(tài)金屬的流速的范圍為0.031-22.099m/s，技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

如圖4所示，毛細(xì)槽道的形狀為V形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，V形槽道凸起部分的深度為1mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。液態(tài)金屬的流速的范圍為0.031-22.098m/s，技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

如圖5所示，毛細(xì)槽道的形狀為圓弧形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，圓弧形槽道為1/4圓弧，圓弧形槽道凸起部分的寬度為0.1mm，圓弧槽道間隙的半徑為1mm。液態(tài)金屬的流速的范圍為0.029-22.099m/s，技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

作為本發(fā)明實(shí)施例的變型，優(yōu)選地，所述槽道的形狀為矩形、正方形、U形、V形和圓弧形，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。槽道裝置設(shè)有噴嘴，所述的槽道和噴嘴的固壁材料可以根據(jù)不同的工作條件來進(jìn)行合理的選擇，優(yōu)選的，槽道和噴嘴的材質(zhì)為不銹鋼、石墨、鉬、鎢、陶瓷復(fù)合材料；液態(tài)金屬為鋰、鎵、鈉、鉀、鎵銦錫合金、鈉鉀合金、鋰鉛合金或鉛鉍合金。

優(yōu)選地，所述槽道是在平板基底的基礎(chǔ)上一體成型、激光加工或機(jī)加工的方式加工出所需形狀。

作為另一實(shí)施例，毛細(xì)槽道的陣列可以n為間隔分別排列矩形與正方形，n為大于1的整數(shù)，n為等間距的相同數(shù)字，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，矩形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，正方形槽道凸起部分的深度為1mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

作為另一實(shí)施例，毛細(xì)槽道的陣列可以n為間隔分別排列矩形與正方形，n為大于1的整數(shù)，n為等差數(shù)列變化的數(shù)字，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，矩形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，正方形槽道凸起部分的深度為1mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

作為另一實(shí)施例，毛細(xì)槽道的陣列可以n為間隔分別排列矩形與U形，n為大于1的整數(shù)，n為等間距的相同數(shù)字，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，矩形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，U形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

作為另一實(shí)施例，毛細(xì)槽道的陣列可以n為間隔分別排列U形、V形與正方形，n為大于1的整數(shù)，n為等差數(shù)列變化的數(shù)字，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，U形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，V形槽道凸起部分的深度為1mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，正方形槽道凸起部分的深度為1mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm。技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

作為另一實(shí)施例，毛細(xì)槽道的陣列可以n為間隔分別排列U形、V形與圓弧形，n為大于1的整數(shù)，n為等間距的相同數(shù)字，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，U形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，V形槽道凸起部分的深度為1mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，圓弧形槽道為1/4圓弧，圓弧形槽道凸起部分的寬度為0.1mm，圓弧槽道間隙的半徑為1mm。技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用

作為另一實(shí)施例，毛細(xì)槽道的陣列可以n為間隔分別排列矩形、正方形、U形、V形與圓弧形，n為大于1的整數(shù)，n為等差數(shù)列變化的數(shù)字，且相鄰所述槽道間隙的寬度相等。優(yōu)選的，矩形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，正方形槽道凸起部分的深度為1mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，圓弧形槽道為1/4圓弧，U形槽道凸起部分的深度為1.5mm及寬度為0.5mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，V形槽道凸起部分的深度為1mm，相鄰所述槽道間隙的寬度為1mm，圓弧形槽道凸起部分的寬度為0.1mm，圓弧槽道間隙的半徑為1mm。技術(shù)效果是：不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要可以改變毛細(xì)槽道2的尺寸，當(dāng)然隨著槽道的改變，槽道凸起部分3的深度與寬度需要隨之進(jìn)行改變；當(dāng)需要使用時(shí)，使液態(tài)金屬流動(dòng)于毛細(xì)槽道2內(nèi)，通過槽道2的毛細(xì)力的作用，抑制液態(tài)金屬的飛濺和不穩(wěn)定流動(dòng)；

為保證槽道的強(qiáng)度及使用壽命，所述的槽道固壁材料可以根據(jù)不同的工作條件來進(jìn)行合理的選擇，本發(fā)明中，槽道的材質(zhì)可選用不銹鋼、石墨、鉬、鎢及陶瓷復(fù)合材料；液態(tài)金屬為鋰、鎵、鈉、鉀、鎵銦錫合金、鈉鉀合金、鋰鉛合金或鉛鉍合金。

采用多種槽道的結(jié)構(gòu)，以微小尺寸的形式，使整體槽道系統(tǒng)形狀多樣適用于聚變堆內(nèi)任意位置。液態(tài)金屬覆蓋于整個(gè)槽道固體材料之上，能很好地保護(hù)固體材料免受等離子體的轟擊，延長(zhǎng)支撐結(jié)構(gòu)的使用壽命。槽道結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生額外的表面張力，削減了液態(tài)金屬不潤(rùn)濕固體壁面產(chǎn)生的阻力和液態(tài)金屬流動(dòng)過程中受到的電磁力，有效地抑制了液態(tài)金屬的不穩(wěn)定流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚變堆堆芯的穩(wěn)定運(yùn)行。

本實(shí)施例在于提供一種實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的方法，包括：通過激光加工或機(jī)加工在在平板基底的基礎(chǔ)上列陣形成槽道裝置；對(duì)所述槽道裝置進(jìn)行切割以形成供上部液態(tài)金屬流動(dòng)的若干毛細(xì)槽道，所述槽道裝置的固壁厚度適應(yīng)于聚變堆中面向等離子體部件的任意位置；由所述槽道的一端噴嘴處輸送液態(tài)金屬，使液態(tài)金屬流動(dòng)于毛細(xì)槽道內(nèi)，通過槽道的毛細(xì)力的作用，抑制液態(tài)金屬的飛濺和不穩(wěn)定流動(dòng)不僅可以增大液態(tài)金屬與固體壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用，使液態(tài)金屬自由表面流動(dòng)更加穩(wěn)定；且該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)面向等離子體部件的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)面向等離子體部件的自我修復(fù)，流動(dòng)帶走熱負(fù)荷以自我冷卻的目的，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于聚變堆的穩(wěn)定運(yùn)行都有巨大幫助。

通過本發(fā)明中的實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬自由表面穩(wěn)定流動(dòng)的方法，不僅可以增大液態(tài)金屬與壁面的接觸面積，使黏附力增大，而且毛細(xì)槽道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生額外的表面張力，這就大大削減了潤(rùn)濕阻力和電磁力的作用，使液態(tài)金屬自由表面流動(dòng)更加穩(wěn)定；且該結(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)面向等離子體部件液態(tài)金屬的靜止?fàn)顟B(tài)，也可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的流動(dòng)狀態(tài)，處于靜止?fàn)顟B(tài)可達(dá)到防止MHD效應(yīng)影響的目的，而流動(dòng)狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)面向等離子體部件的自我修復(fù)，流動(dòng)帶走熱負(fù)荷以自我冷卻的目的；這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于聚變堆的穩(wěn)定運(yùn)行都有巨大幫助。

本發(fā)明的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且制作成本低，可以大面積運(yùn)用在聚變堆面向等離子部件和存在液態(tài)金屬自由表面流動(dòng)的各種工程部件中。

以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。