李 粲，王增輝，賈 瀟，倪明玖

(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院， 北京 100049) (2017年1月11日收稿； 2017年4月28日收修改稿)

核聚變研究的最終目標是實現(xiàn)一種具有經(jīng)濟效益的、低耗電率的、易被市場所接受的能量轉(zhuǎn)變方法[1]。核聚變堆芯等離子體以高能量密度運行，面對等離子體部件，如托克馬克聚變反應(yīng)堆裝置的第一壁和偏濾器靶壁必須承受高表面熱載荷和高密度離子流的轟擊[2]。如此高的環(huán)境要求必然導(dǎo)致面對等離子體部件的固體壁材料的嚴重損壞和侵蝕，同時也會縮短面對等離子體部件的壽命。而聚變反應(yīng)堆的經(jīng)濟可行性會由于有效部件的頻繁更換和維修而大大降低，這是聚變堆設(shè)計關(guān)注的關(guān)鍵問題[3]。設(shè)計特殊的系統(tǒng)來處理高表面熱載荷和來自高密度離子流的轟擊[4]，且緩解面對等離子體部件的損壞和侵蝕，成為聚變反應(yīng)堆工程研究的最緊迫和重要的任務(wù)之一。

液態(tài)金屬，作為面對等離子體部件可以滿足高熱負荷的輸運能力，有足夠的承受力，所以給代替固體面對等離子體部件提供了選擇的可能。且液態(tài)金屬本身具有的能承受更高通量的中子輻照和表面熱負荷[5]，導(dǎo)熱性強、液相溫度范圍大[6]、易于補充[7]等優(yōu)點，同時通過使用循環(huán)、過濾結(jié)構(gòu)，可以實現(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第一壁的使用壽命[8]。傳統(tǒng)的固體壁材料會遭受一系列的問題：濺射，起毛刺，氦的殘留，氣泡的形成，粉塵，釋放碎片[9]等。尤其對于鎢壁，受等離子體轟擊而熔蝕、漲破、形成毛刺[10]，在極端情況下甚至?xí)l(fā)生燒蝕，造成等離子體的污染[11]；但對于液態(tài)金屬，被熔蝕的材料很簡單就能被液態(tài)金屬流所替代。液態(tài)的面對等離子體壁與固態(tài)部件相比，提供了自我修復(fù)表面和良好的熱移除功能[12]。流動的液態(tài)鋰面對等離子體部件會提供不斷更新的表面，對于抑制不純性和低粒子循環(huán)有長期的有效性[13]，有益于高性能穩(wěn)定等離子體的運行。除此之外，液態(tài)鋰作為磁約束裝置內(nèi)面對等離子體的液態(tài)金屬表面的特殊應(yīng)用，也能改善等離子體表面的反應(yīng)，且由于氫的同位素在低循環(huán)區(qū)域?qū)τ谶\行雜質(zhì)(如氦)的吸收，可降低等離子體堆芯不純度[14]，使等離子體運行更穩(wěn)定，提高能量約束時間。液態(tài)鋰壁最重要的優(yōu)點是作為偏濾器材料的耐用性[15]。

選擇液態(tài)金屬作為等離子體面向部件材料具有很多優(yōu)點，但同時也存在一些目前尚未能解決的困難，例如在強磁場條件下，液態(tài)金屬壁磁流體流動的阻力效應(yīng)[16]，需要較高的泵功率，與周圍部件的性能兼容性[17]，允許承受的最高溫度[18]，以及在等離子體不穩(wěn)定的條件下強烈的液態(tài)金屬流動表面飛濺現(xiàn)象[9]。聚變堆超強環(huán)形磁場的環(huán)境中，等離子體放電會產(chǎn)生上萬安培的等離子體電流，二者均作用在液態(tài)金屬上會產(chǎn)生指向等離子體的電磁力，因而發(fā)生不可控的金屬液滴的飛濺現(xiàn)象[19]。太多的液態(tài)金屬飛濺到等離子體區(qū)域會導(dǎo)致磁流體不穩(wěn)定，隨之導(dǎo)致等離子體破裂。飛濺的液滴會造成堆芯等離子的污染，同時破壞等離子體的反應(yīng)，嚴重威脅聚變堆的安全性和穩(wěn)定性[20]。因此需要用毛細槽道中的表面張力來彌補ponder-motive力[21]，這些毛細槽道的形成來自“毛細孔隙系統(tǒng)”，以達到抑制飛濺的效果。前人在研究抑制偏濾器和限制器中液態(tài)金屬的飛濺現(xiàn)象上也做了許多努力，在“毛細孔隙系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，對底板的形狀做了一系列的改進，由最初的絲網(wǎng)形式發(fā)展到固體板上的多孔結(jié)構(gòu)，直到本實驗設(shè)計的毛細槽道結(jié)構(gòu)[22]，對其抑制效果有了初步的驗證。深入了解其抑制飛濺現(xiàn)象的特性和機理，并對其可控抑制進行優(yōu)化就具有十分重要的意義。

1 實驗裝置

液態(tài)金屬壁靜態(tài)自由表面的飛濺主要取決于J×B電磁力，該力來源于電流與環(huán)形磁場的相互作用。為模擬這一過程進而抑制液態(tài)金屬的飛濺現(xiàn)象，設(shè)計如圖1所示的液態(tài)金屬槽道自由表面飛濺抑制實驗系統(tǒng)。為了實驗現(xiàn)象的可視化，選取尺寸為60 mm×60 mm×100 mm的矩形方腔為實驗裝置，材料為有機玻璃。兩個尺寸為60 mm×2 mm的銅電極置于方腔底部，嵌入腔體兩端并進行密封，向腔體內(nèi)注入適量的液態(tài)金屬形成薄層自由表面。實驗中液態(tài)金屬選擇鎵銦錫合金(Ga67In20.5Sn12.5)，是由于GaInSn的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都較大[23]，且其熔點較低，在常溫下呈液態(tài)[24]，無毒易操作[25]，是研究MHD的理想工質(zhì)。

圖1 液態(tài)金屬自由表面飛濺實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of splash of liquid metal

將裝置置于水平磁場中，給電極加載電流，使得J×B電磁力方向向上，當電磁力大到足以克服液態(tài)金屬所受到的重力、表面張力等力時，會產(chǎn)生向上的飛濺現(xiàn)象，為抑制液態(tài)金屬的飛濺現(xiàn)象，設(shè)計如圖2所示的底部槽道(槽道與磁場方向平行為形式一，槽道與磁場方向垂直為形式二)。本實驗對這兩種槽道分別設(shè)計兩種尺寸：

1)槽道間隙寬3 mm，深3 mm，槽道凸起寬1 mm；

2)槽道間隙寬4 mm，深3 mm，槽道凸起寬1 mm。

圖2 液態(tài)金屬自由表面抑制飛濺的槽道形式Fig.2 Liquid metal splash suppression structure

當向有機玻璃槽道內(nèi)部注入液態(tài)金屬GaInSn時，由于液態(tài)金屬GaInSn與有機玻璃上的接觸角較大(表面張力較強)[26]，GaInSn會在注入處的槽道附近聚成團，不易向周圍鋪展開，需要不斷來回輕輕晃動或攪拌實驗裝置中的液態(tài)金屬，使得液態(tài)金屬GaInSn能夠浸入槽道內(nèi)并充滿槽道，從而充分鋪展形成自由表面。由于GaInSn是一種非透明的液態(tài)金屬，實驗過程中飛濺液滴會污染有機玻璃的前壁，遮擋住實驗腔的觀察視野，無法清晰地記錄實驗現(xiàn)象，因此實驗每進行一次，都需要進行實驗裝置的更換，以確保接下來的實驗?zāi)軌蝽樌涗浺簯B(tài)金屬的運動狀態(tài)。

利用高速攝像機在磁場外對實驗現(xiàn)象進行記錄。通過觀察實驗現(xiàn)象、整理實驗數(shù)據(jù)并進行后期處理，與課題組已開展的平板有機玻璃上的液態(tài)金屬自由表面的飛濺現(xiàn)象進行對比，分析毛細槽道對液滴飛濺的抑制效果。

2 槽道抑制液態(tài)金屬液滴飛濺的分析

2.1 槽道的抑制作用分析

通過實驗發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬表面的穩(wěn)定性可通過提高表面的潤濕性以及液態(tài)金屬表面結(jié)構(gòu)的合理選擇來實現(xiàn)。而毛細槽道結(jié)構(gòu)就是一種創(chuàng)新而合理的液態(tài)金屬表面結(jié)構(gòu)，通過使用該結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬飛濺能得到有效的抑制。

對于槽道表面的潤濕性，沒有足夠的液態(tài)金屬加入到槽道中是導(dǎo)致槽道不完全潤濕的原因之一[27]。不完全潤濕與放電期間產(chǎn)生的電磁力的共同作用，會促成液態(tài)金屬液滴從自由表面的飛濺，槽道的完全填充則會阻礙這些飛濺的發(fā)生。槽道結(jié)構(gòu)黏附力的增強與表面潤濕性的提升有很大關(guān)系，且能夠抵消電磁力，從而抑制液態(tài)金屬的飛濺。

液態(tài)金屬飛濺的成因是洛侖茲力：J×B，發(fā)生在磁流體受到磁場和電流的雙重作用影響期間，尤其強磁場和大電流強度的液態(tài)金屬表面。本文應(yīng)用一種分離的毛細多孔系統(tǒng)(CPS)。飛濺能夠通過使用一種分離且絕緣的毛細多孔系統(tǒng)(CPS)得到抑制。由于毛細單元內(nèi)的導(dǎo)電率會被一種特殊的絕緣、堅固且耐高溫的有機材料截斷[28]，任意單獨的毛細液態(tài)金屬單元都沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。液態(tài)金屬處于非移動的靜止狀態(tài)所以沒有感應(yīng)電流。毛細半徑只有1～2 mm，對于如此充分的小型的分離的液態(tài)金屬單元，電磁感應(yīng)基本上被隔斷。然而，即使單元內(nèi)的液態(tài)金屬是非移動的，如果偏濾器區(qū)域內(nèi)?B/?t≠0，在每個小毛細單元的表面也會產(chǎn)生感應(yīng)渦流。眾所周知，感應(yīng)渦流電流Jeddy是一個封閉的閉合回路。所以總的洛侖茲力∑Jeddy×B=0，因為上半回路和下半回路相反的力相互抵消了，由此產(chǎn)生的液態(tài)金屬飛濺不存在。所以，對于毛細槽道結(jié)構(gòu)，最主要的物理過程就是放電過程的表面飛濺現(xiàn)象。

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)金屬覆蓋于整個槽道固體材料之上，能很好地保護固體材料免受等離子體的轟擊，延長支撐結(jié)構(gòu)的使用壽命[29]。槽道結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生額外的表面張力，削減液態(tài)金屬不潤濕固體壁面產(chǎn)生的阻力和液態(tài)金屬流動過程中受到的電磁力，有效地抑制液態(tài)金屬的不穩(wěn)定流動，實現(xiàn)聚變堆堆芯的穩(wěn)定運行。通過槽道的毛細力的作用，抑制液態(tài)金屬的飛濺和不穩(wěn)定流動，使液態(tài)金屬自由表面流動更加穩(wěn)定；且該結(jié)構(gòu)既可實現(xiàn)面向等離子體部件液態(tài)金屬的靜止狀態(tài)，又可實現(xiàn)液態(tài)金屬的流動狀態(tài)，處于靜止狀態(tài)可達到防止MHD效應(yīng)影響的目的，而流動狀態(tài)可實現(xiàn)面向等離子體部件的自我修復(fù)，流動帶走熱負荷以自我冷卻的目的[30]；這些優(yōu)點對于聚變堆的穩(wěn)定運行都有巨大幫助。

2.2 槽道內(nèi)液態(tài)金屬的受力分析

為減少來自液態(tài)偏濾器的液態(tài)射流，并抑制等離子體破裂，已有文獻分析了幾種可能的射流的成因：蒸發(fā)，粒子沖擊液態(tài)金屬產(chǎn)生的濺射和液態(tài)金屬液滴飛濺[31]。而液態(tài)金屬液滴飛濺是導(dǎo)致等離子體破裂的主要成因。為了研究液態(tài)金屬液滴飛濺的成因，本文詳細分析放電過程中作用在液態(tài)金屬靜態(tài)表面的所有力。在液態(tài)偏濾器中，重力方向顯然豎直向下，傾向于使液態(tài)金屬保持在槽道靜態(tài)表面內(nèi)。液態(tài)金屬的表面張力也會阻止液態(tài)金屬脫離槽道靜態(tài)表面而發(fā)生的飛濺。等離子體電流和基本的電磁力示于圖3中。在液態(tài)金屬偏濾器運行期間，等離子體電流的方向是逆時針方向，環(huán)形磁場方向為順時針方向，極向磁場方向水平向左。等離子體流的運動方向也與等離子體電流的方向相同。液態(tài)金屬偏濾器是接地的，液態(tài)金屬的總電流來自射入的等離子體電流，導(dǎo)致電流分為兩個分量：一個垂直向下J⊥和另一個平行于液態(tài)金屬的自由表面J‖?？傠娏鲿a(chǎn)生一個合力，由以下幾個分力組成：J⊥×Bp，與等離子體電流同方向，會使液態(tài)金屬發(fā)生前后偏轉(zhuǎn)；J⊥×Bt，沿著主半徑方向，使液態(tài)金屬發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)；而J‖×Bp，該豎直方向的力，指向等離子體中心使液滴發(fā)生飛濺，也是液態(tài)金屬自由表面發(fā)生飛濺的主要成因。而毛細槽道結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生額外的表面張力，與重力和液態(tài)金屬的表面張力共同作用，削減了液態(tài)金屬不潤濕固體壁面產(chǎn)生的阻力和液態(tài)金屬流動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，實現(xiàn)聚變堆堆芯的穩(wěn)定運行。

圖3 液態(tài)金屬表面所受的力Fig.3 Force analysis of liquid metal

3 飛濺抑制實驗的結(jié)果分析

本實驗在有機玻璃方腔底部加入電極，槽道內(nèi)鋪入適量的液態(tài)金屬(GaInSn)，將裝置放入水平磁場內(nèi)部，通入電流，此時安培力方向向上，有機玻璃中的液態(tài)金屬理論上會產(chǎn)生向上的飛濺現(xiàn)象，但由于表面張力以及槽道的黏滯力的作用，使其飛濺現(xiàn)象得到抑制。

液態(tài)金屬表面的液滴飛濺與槽道表面的潤濕性以及液態(tài)金屬表面槽道結(jié)構(gòu)有關(guān)。在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)槽道的潤濕性與以下幾個因素有關(guān)：槽道表面的潔凈度；液態(tài)金屬表面溫度；是否有足夠的液態(tài)金屬潤濕到槽道中；以及液態(tài)金屬的預(yù)潤濕涂層。針對這幾個因素，進行實驗處理，首先對實驗容器用酒精清洗、干燥，保證容器的清潔度，發(fā)現(xiàn)用酒精處理過的槽道潤濕效果較好，在同樣條件下進行實驗，抑制效果也會提高；適度提高液態(tài)金屬的溫度，會發(fā)現(xiàn)鎵銦錫更容易浸入槽道，更易潤濕；當然，對槽道表面進行預(yù)處理，會更明顯地提高液態(tài)金屬浸入槽道的潤濕性，使液態(tài)金屬與槽道底面的接觸面積增大，同時黏性力也會增大，同時，發(fā)現(xiàn)有液態(tài)金屬預(yù)涂層處理過的薄液態(tài)金屬膜的槽道結(jié)構(gòu)的抑制效果更強。這些結(jié)果為將來的托克馬克液態(tài)偏濾器的設(shè)計提供了技術(shù)參考，避免了強液態(tài)金屬液滴的飛濺。而對于是否有足夠的液態(tài)金屬加入到槽道內(nèi)，對實驗結(jié)果的影響，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，對于槽道形式二，當液態(tài)金屬不足時，兩電極間的電流無法連通，不會產(chǎn)生導(dǎo)致液滴飛濺的電磁力，不會有飛濺現(xiàn)象發(fā)生；而對于槽道形式一，槽道增加的接觸面未得到充分利用，很容易導(dǎo)致槽道的不完全潤濕，影響槽道的抑制效果。因此，需要加入能完全浸潤槽道的液態(tài)金屬鎵銦錫，使液態(tài)金屬在槽道上形成完整的液膜。

在滿足上述較好的潤濕條件下開展實驗，對槽道進行清洗過后，再進行液態(tài)金屬預(yù)涂層處理，加入的鎵銦錫溫度比室溫高，而加入的鎵銦錫會使液態(tài)金屬在完全浸潤槽道后，產(chǎn)生0.5 mm的液態(tài)金屬膜。在所加磁場相同的情況下，對靜態(tài)表面槽道與靜態(tài)表面平板的液態(tài)金屬自由表面的飛濺進行比較。如圖4所示，磁場強度為0.6 T時，所加電流為達到飛濺條件的電流閾值，而飛濺發(fā)生前，液態(tài)金屬所達到的穩(wěn)定液柱狀態(tài)。通過比較，發(fā)現(xiàn)不同形式、尺寸槽道的抑制效果各不相同。與平板飛濺比較，首先會發(fā)現(xiàn)槽道形式二，從電流閾值的角度，有較好的抑制效果：平板液態(tài)金屬飛濺的電流閾值為18 A，而槽道形式二，槽道寬度4 mm的閾值電流為25 A，寬度3 mm閾值電流高達52 A，為平板電流閾值的將近3倍，遠遠高于平板實驗的飛濺電流閾值；而槽道形式一中，雖然閾值電流與平板相比有所下降，但觀察圖4，會發(fā)現(xiàn)槽道的液柱較少，液柱高度也會降低，說明槽道對于液態(tài)金屬有較好的抑制飛濺效果，類似于槽道緊緊拉住做上升運動的液態(tài)金屬，使其保持在槽道內(nèi)，而達到抑制飛濺的效果。

磁場強度0.6 T，平板初始液膜1 mm，槽道初始液膜厚度0.5 mm。圖4 液態(tài)金屬自由表面飛濺前拍攝圖像Fig.4 Photo taken before splashing

圖5為磁場強度為0.6 T時，所加電流為達到飛濺條件的電流閾值，此時液態(tài)金屬液滴處于飛濺狀態(tài)。在該槽道裝置的放電情況下，大多數(shù)都進行的是小液態(tài)金屬的不頻繁飛濺，飛濺的高度也較低。該現(xiàn)象與平板結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象相反：會有大液態(tài)金屬液滴的頻繁飛濺并飛濺的高度也會比槽道結(jié)構(gòu)的高，這說明飛濺抑制達到了較理想的效果。

磁場強度0.6 T，平板初始液膜1 mm，槽道初始液膜厚度0.5 mm。圖5 液態(tài)金屬自由表面飛濺拍攝圖像Fig.5 Photo of splashing progress

對4種槽道的抑制飛濺情況進行比較，發(fā)現(xiàn)從電流閾值的角度分析，槽道形式二的效果優(yōu)于形式一，而對于形式二，槽道寬度越窄越有利于飛濺的抑制，說明寬度較窄的槽道與液態(tài)金屬的高表面張力的共同作用會減少液態(tài)金屬從液態(tài)金屬表面的飛濺；但對于形式一，槽道越寬反而越有利于飛濺的抑制。

未發(fā)生飛濺時均勻鋪展的槽道液膜的潤濕性能的提升是由于液態(tài)金屬的預(yù)涂層，導(dǎo)致均勻液態(tài)金屬膜的“good wetting”。槽道潤濕性的提升會產(chǎn)生較強的黏附力，從而能夠抵抗部分電磁力，抑制液態(tài)金屬的飛濺。在飛濺發(fā)生后，無論加上多大的電流，液態(tài)金屬都不會發(fā)生飛濺現(xiàn)象，觀察實驗后的液膜鋪展情況，會發(fā)現(xiàn)槽道結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬已發(fā)生斷路，也就是說飛濺發(fā)生后，由于液態(tài)金屬的斷路將不會再產(chǎn)生飛濺。

為進一步說明槽道的抑制效果，將抑制效果較好的槽道形式二的兩種尺寸實驗結(jié)果進行比較：給定平板閾值電流1倍和2倍的電流下，分析槽道內(nèi)液態(tài)金屬的運動情況。如圖6所示，將液柱的上升高度與電流的關(guān)系進行分析，飛濺現(xiàn)象發(fā)生前，液柱高度與電流大小呈近似線性關(guān)系，一旦到達閾值電流，液柱飛濺高度突然增大，甚至液柱的飛濺高度可達飛濺前最高液柱高度的將近3倍。實驗中發(fā)現(xiàn)寬度為4 mm，電流18 A的槽道中液態(tài)金屬只是鼓起一個粗的很低的液柱；寬度3 mm的情況下，無論1倍閾值(18 A)還是2倍閾值(36 A)的情況，現(xiàn)象同上。說明槽道很好地抑制了液態(tài)金屬的向上運動，毛細槽道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的表面張力，與重力和液態(tài)金屬的表面張力共同作用，削減了液態(tài)金屬不潤濕固體壁面產(chǎn)生的阻力和液態(tài)金屬流動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。

圖6 飛濺前和飛濺時的液柱高度與外加電流關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the applied current and the heights of the liquid column before splashing and when splashing

4 結(jié)論

本文研究和比較不同的槽道結(jié)構(gòu)表面對于液態(tài)金屬液滴飛濺的影響。該實驗的實施是為了分析毛細槽道結(jié)構(gòu)抑制液態(tài)金屬飛濺的原理以及效果。與自由表面結(jié)構(gòu)相比，毛細結(jié)構(gòu)表面會抑制液態(tài)金屬液滴的飛濺。同時，實驗發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬的穩(wěn)定性，可通過提高接觸表面的潤濕性以及表面結(jié)構(gòu)的合理選擇來實現(xiàn)，尤其使用槽道結(jié)構(gòu)時，液態(tài)金屬的飛濺會顯著減少。

本實驗設(shè)計完成了液態(tài)金屬自由表面飛濺抑制實驗系統(tǒng)，在強磁場和高電流密度作用下，通過高速攝像機觀察到液態(tài)金屬的自由表面飛濺抑制現(xiàn)象，初步得到該飛濺抑制效用與外加磁場、外加電場、槽道的寬高比、金屬液膜的厚度、槽道結(jié)構(gòu)的潤濕性等因素的關(guān)系。分析液柱的上升高度與電流的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)飛濺現(xiàn)象發(fā)生前，液柱高度與電流大小成近似線性關(guān)系；閾值電流處，液柱飛濺高度急劇增大，甚至液柱的飛濺高度可達飛濺前最高液柱高度的近3倍。在聚變堆中，等離子體放電與液體表面的相互作用會以液態(tài)金屬液滴的形式發(fā)生飛濺，因此該結(jié)果的獲得對聚變堆中的液態(tài)金屬飛濺抑制具有指導(dǎo)意義，需要進一步深入研究該過程的變化規(guī)律和演變機理，同時為下一步聚變堆工程應(yīng)用液態(tài)金屬飛濺抑制研究提供了有效依據(jù)。