In most designs of liquid metal blankets, the reduced activation ferritic martensitic steel with high relative magnetic permeability is proposed as the structural wall material, which will have an obvious influence on the magnetic field distribution inside the duct and consequently modify the liquid metal magnetohydrodynamics (MHD) flow state. However, the MHD flow state considering the influence of the ferromagnetic wall is lack of systematic investigations especially under the relevant conditions of magnetic confinement fusion reactors. In this work, systematic investigations on the ferromagnetic MHD effect are conducted by experiments and numerical simulations considering the relevant condition of fusion reactors such as high magnetic fields up to 10 T and the actual magnetic permeability of ferromagnetic walls. It is found that magnetic field lines are mainly gathered through the side wall for ferromagnetic rectangular ducts, which will result in the overall magnetic shielding effect. As applied magnetic fields increase, the magnetic shielding effect weakens, increasing the aspect ratio and wall thickness of the duct is benefit to enhance the overall magnetic shielding effect. A slightly magnetic strengthening effect is firstly observed in our experimental and numerical investigations, which is characterized that the average magnetic flux intensity in the fluid region is slightly greater than applied magnetic fields and the pressure drop in ferromagnetic ducts is also higher than that in non-ferromagnetic ducts when the applied magnetic field is bigger than the threshold of transition. The dimensionless pressure gradient in ferromagnetic rectangular ducts usually increases firstly and then decreases with the increase of applied magnetic fields, the pressure drop estimated from the coefficient of the square of the average magnetic flux intensity in the fluid region is generally accurate with exceptions in some extreme conditions. These findings will provide a theoretical guidance for future liquid metal blanket designs.
液体金属ブランケットのほとんどの設計において、高い比透磁率を有する低放射化フェライトマルテンサイト鋼が構造壁材料として提案されており、これはダクト内部の磁場分布に明らかな影響を及ぼし、その結果、液体金属磁気流体力学(MHD)流動状態を変化させる。しかしながら、強磁性壁の影響を考慮したMHD流動状態は、特に磁場閉じ込め核融合炉の関連条件下では系統的な調査が不足している。本研究では、最大10 Tの高磁場や強磁性壁の実際の透磁率など、核融合炉の関連条件を考慮した実験と数値シミュレーションにより、強磁性MHD効果に関する系統的な調査を実施した。強磁性矩形ダクトでは、磁力線が主に側壁を通って集められ、その結果、全体的な磁気遮蔽効果が生じることが見出された。印加磁場が増加すると磁気遮蔽効果は弱まり、ダクトのアスペクト比と壁厚を増加させることは全体的な磁気遮蔽効果を強化するのに有益である。わずかな磁気増強効果が、我々の実験および数値調査において初めて観察された。これは、流体領域における平均磁束密度が印加磁場よりもわずかに大きいこと、および印加磁場が遷移の閾値よりも大きい場合、強磁性ダクトにおける圧力降下が非強磁性ダクトにおけるそれよりも高いことを特徴とする。強磁性矩形ダクトにおける無次元圧力勾配は、通常、印加磁場の増加に伴い最初に増加し、その後減少する。流体領域における平均磁束密度の二乗の係数から推定される圧力降下は、概ね正確であるが、いくつかの極端な条件では例外がある。これらの発見は、将来の液体金属ブランケット設計に理論的指針を提供するであろう。