本發明涉及聚變堆包層，具體而言，涉及用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構及其使用方法。

背景技術：

1、液態包層在聚變堆包層設計中被視為一種前景廣闊的解決方案，因其具備諸多潛在優勢包括能提供較高的氚增殖比，較高的熱效率、低操作壓力以及結構簡單等。然而，當導電液態增殖材料(如液態金屬)在約束聚變等離子體的強磁場中運動時，其性能不可避免地受到磁流體動力學(mhd)效應的影響。這種相互作用產生的洛倫茲力會改變速度分布，進而影響流動特性。此外，相關mhd壓降通常顯著增加，往往比傳統水力學壓降高出104倍。

2、在聚變堆包層的復雜模塊中，一個常見的結構是由多個導電管道以串聯和并聯的方式組成冷卻劑通道。這種設計廣泛應用于液態包層設計概念中，如雙冷鋰鉛包層(dcll)，氦冷鋰鉛包層(hcll)以及水冷鋰鉛包層(wcll)等。在實際聚變堆中，多個導電管道通常共用導電壁，這使得感應電流可能通過耦合壁流入相鄰通道，形成被稱為泄漏電流的現象。此外，在耦合導電壁處，感應產生的正負極可能相連，導致短路電流的產生，這將顯著改變速度和壓力分布。與單根非耦合管相比，這種結構將產生更高的壓降，并可能引發逆向流動現象。這種現象被稱為mhd耦合效應。

3、在相關多耦合管道內壓降的研究中，當管道長寬比(b/a)為1時，研究結果顯示，耦合管數量為2時，因耦合效應導致的耦合壓降約為單根管的10倍；而當耦合管數量增加至3時，耦合壓降則增至單根管的18倍。這種顯著的壓降會嚴重限制液態包層的經濟可行性，因此，解決多耦合管道內的壓降問題尤為重要。

4、當前，降低導電管道壓降的方法包括在管道內添加絕緣涂層和絕緣插件(fci)等。然而，這些方法在工程應用中受材料和加工工藝限制，實施性可能較差，并且尚未在實際聚變堆包層實驗中得到驗證。因此，設計一種新型的耦合管道結構以降低耦合壓降在聚變堆液態包層的工程應用中具有重要意義。

5、有鑒于此，特提出本技術。

技術實現思路

1、為了解決現有技術的問題，本發明提供用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構及其使用方法，通過在多耦合管道結構中的耦合哈特曼壁面上開壓力平衡縫，給液態金屬流向下一根相鄰管道提供新的路徑，在一定程度上將n根管道變成了一根管道，增大了平行于磁場的半寬度，同時多耦合管道內的感應電勢會減小，因此有助于降低多耦合管道內液態金屬的壓降，從而有效解決當前多耦合管道內壓降過大的問題，促進液態包層的工程應用。

2、本發明通過下述技術方案實現：

3、第一方面，本發明提供一種用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構，包括在所述多耦合管道的每個耦合哈特曼壁面上開設的壓力平衡縫，所述多耦合管道為相同尺寸的導電管道沿同一方向排布，相鄰導電管道之間共用導電壁面，所述外加磁場均沿管道排列方向，故相鄰管道間共用導電壁面均為耦合哈特曼壁面。

4、在某一具體實施方式中，所述壓力平衡縫為橫縫，所述橫縫開設在耦合哈特曼壁面和管道側壁面的連接位置處；

5、所述耦合哈特曼壁面為垂直于外加磁場方向的壁面；

6、所述側壁面為導電管道平行于外加磁場方向的側壁面。

7、在某一具體實施方式中，每個耦合哈特曼壁面上開設有兩條橫縫，兩條橫縫分別位于耦合哈特曼壁面的頂部與底部。

8、本發明在耦合哈特曼壁面頂部和底部設置兩條橫縫，且位置與管道上下側壁面相連，因mhd效應會在側壁面上出現射流，所以在此位置處可以有效降低射流值，從而起到緩解壓降的作用。但是因橫縫橫截面積較大，會使大量液態金屬從其中流向下一管道，若繼續增加橫縫數量，液態金屬可能還未流過后面管道就已經全部進入下一管道，因此將橫縫數量限定為兩條。

9、在某一具體實施方式中，所述橫縫的無量綱尺寸為：

10、其中，x為液態金屬流動方向，y為平行于磁場方向，z為垂直于磁場方向，l為多耦合管道結構內管道長度，cw為無量綱壁面導電系數，σw為壁面的電導率，σ為流體電導率，a為垂直于磁場的半寬度，b為平行于磁場的半寬度。

11、在某一具體實施方式中，所述壓力平衡縫為豎縫，所述豎縫開設在耦合哈特曼壁面上，所述豎縫與導電管道的上側壁面、下側壁面的間距相同。

12、在某一具體實施方式中，所述豎縫的無量綱尺寸為：

13、其中，x為垂直于磁場方向，y為平行于磁場方向，z為液態金屬流動方向，l為多耦合管道的內管道長度，cw為無量綱壁面導電系數，σw為壁面的電導率，σ為流體電導率，a為垂直于磁場的半寬度，b為平行于磁場的半寬度。其中，豎縫的開設數量q≥n-1，n為多耦合管道數量，耦合哈特曼壁面數目為n-1，即每個耦合哈特曼壁面上至少開一條豎縫。

14、在某一具體實施方式中，所述豎縫在z方向的間隔距離δz需要滿足：3.2b<δz＜l。

15、本發明的用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構，通過在多耦合管道結構中的耦合哈特曼壁面上開設壓力平衡縫，給液態金屬流向下一根相鄰管道提供新的路徑，有助于緩解壓降；原本多耦合管道結構有n根管道，由于增加了壓力平衡縫，一部分液態金屬能夠直接通過壓力平衡縫進入下一管道，因此在一定程度上n根管道變成了一根管道，相當于增大了平行于磁場的半寬度b，根據無量綱壓力梯度計算公式：這樣無量綱壓力梯度就會減小，即多耦合管道內壓降降低。另外，開設壓力平衡縫后，多耦合管道內的感應電勢會減小，從而耦合效應減弱，最終進一步導致耦合壓降降低。

16、在某一具體實施方式中，所述多耦合管道結構內的管道數目n為：n≥2。

17、在某一具體實施方式中，所述多耦合管道的內管道尺寸2a×2b需要滿足：0.01m＜a＜0.2m，0.01m＜b＜0.2m；所述多耦合管道的內管道長度l需滿足：0.01m＜l＜2m。

18、在某一具體實施方式中，所述多耦合管道管壁使用的材料包括低活化鐵素體-馬氏體鋼rafm，ods鋼或inconel718等。

19、在某一具體實施方式中，無量綱壁面導電系數cw需要滿足：0.01≤cw≤0.5。

20、第二方面，本發明提供一種用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構的使用方法，包括如下步驟：

21、(1)在多耦合管道結構外加磁場，液態金屬以一定初始速度進入多耦合管道的進口；

22、(2)液態金屬經過耦合管道的耦合直管段，一部分液態金屬經過180°轉彎的u型轉彎段進入下一根耦合直管段；

23、(3)另一部分液態金屬通過壓力平衡縫進入下一根耦合直管段，液態金屬在多耦合管道內流經n根耦合直管段及n-1個u型轉彎段，最后從出口流出。

24、在某一具體實施方式中，所述液態金屬包括鋰或含鋰的合金。

25、在某一具體實施方式中，所述多耦合管道結構外加磁場的磁感應強度為0t～10t。

26、在某一具體實施方式中，所述液態金屬在多耦合管道進口處的流速為0.0001m/s～1m/s。

27、本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

28、1、本發明實施例提供的用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構及其使用方法，通過在多耦合管道結構中的耦合哈特曼壁面上開壓力平衡縫，給液態金屬流向下一根相鄰管道提供新的路徑，有助于緩解壓降；

29、2、本發明實施例提供的用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構及其使用方法，由于增加了壓力平衡縫，一部分液態金屬能夠直接通過壓力平衡縫進入下一管道，因此在一定程度上將多耦合管道結構的多根管道變成了一根管道，相當于增大了平行于磁場的半寬度b，無量綱壓力梯度就會減小，從而降低多耦合管道內壓降；

30、3、本發明實施例提供的用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構及其使用方法，開設壓力平衡縫后，同時多耦合管道內的感應電勢會減小，因此有助于降低多耦合管道內液態金屬的壓降，從而有效解決當前多耦合管道內壓降過大的問題，促進液態包層的工程應用；

31、4、本發明實施例提供的用于降低液態包層多耦合管道內壓降的結構及其使用方法，能夠極大地降低管道內耦合mhd壓降，且實施方式簡單，易于加工，解決液態包層在實際工程應用中可能因壓降過大而沒有合適的泵送功率這一問題，進一步提高了包層在聚變堆中的經濟性。