液态铅锂包层具有结构简单、载热能力强、氚增殖比高等优点，是聚变堆包层发展的重要方向之一。但由于包层处于高能中子辐照、高热负载、高压力梯度等严苛的环境中，包层内存在高压氦气流道破裂引发的内破口事故(In-box Loss of Coolant Accident，In-box LOCA)可能性。当事故发生时，高压氦气会迅速注入铅锂流道，形成复杂的两相流动和冲击波效应，可能会导致峰值压力超过设计限值，进而对包层结构的完整性造成威胁。为提高包层安全性和避免放射性物质外泄，有必要对包层内破口事故瞬态过程进行深入研究。本文通过数值模拟和实验相结合的方法，对氦冷液态铅锂包层内破口事故发生时高压氦气冲击铅锂的瞬态过程进行研究，主要包括:
　　1)构建基于氦气-铅锂两相流的流固双向耦合方法:首先，利用VOF(Volume of Fluid)方法实现了氦气-铅锂两相流界面的追踪。然后，基于流固双向耦合的理论，利用CFD软件，构建了适用于描述包层内破口事故的流固双向耦合分析方法。其中，对铅锂密度项采用可压缩处理以精确模拟压力波的传播过程。经过与激波传播算例、氦气-铅锂两相流算例的对比校验，从理论上验证了对氦气-铅锂间压力波传播的捕捉能力以及两相流行为的模拟能力。
　　2)开展高压氦气冲击铅锂压力波传播实验，并对氦气-铅锂两相流的流固双向耦合方法进行验证:基于液态重金属安全回路实验平台KYLIN-Ⅱ-S，获得了高压氦气(＞8MPa)冲击铅锂的压力波传播实验数据。实验发现，冲击过程中产生了显著流固耦合效应，压力波呈现快速震荡和平稳增长两个阶段，其中压力快速震荡阶段持续约0.064s，形成了多次大于6MPa的压力峰值。采用流固双向耦合方法对实验工况进行了数值模拟，并与不考虑流固耦合的纯流体计算方法进行对比，结果表明流固双向耦合方法与实验结果符合得更好。
　　3)开展内破口事故压力波传播特征及结构响应研究:基于流固双向耦合方法，建立了DFLL双功能铅锂实验包层流固耦合分析模型，对氦冷铅锂包层内破口事故下压力波传播及结构瞬态响应进行研究。研究发现，破口发生后，包层内经历了压力阶梯式上升、压力震荡、压力平缓三个阶段，压力震荡峰值出现在包层阻力较大的区域（拐角、进出口处）产生，导致的峰值压力达到了氦气入口压力2倍。同时，还进一步分析了不同破口位置、不同破口大小对结构应力的影响规律，并提出了相应的安全设计改进建议。
　　4)开展内破口事故两相流动特征及后果影响研究:基于DFLL双功能铅锂实验包层流固耦合分析模型，对氦冷铅锂包层破口事故后的两相流动特征及后果影响进行研究。研究发现，包层内破口事故发生后，在0.3s内冲入包层模块铅锂流道内的氦气体积分数超过60％，此时聚变堆还未能及时停堆(响应时间约为3s)，在聚变堆完全停堆前，磁体系统所承的核热沉积呈指数增加，建议在包层屏蔽设计中留有适当的裕量。在高压氦气注入过程中，由于模块内压力的反复震荡，会导致铅锂产生逆流至氦气流道中，该过程持续时间仅约4ms，不会形成堵塞。
　　本文按照“流固双向耦合方法构建→实验验证→包层内破口瞬态过程模拟”的研究思路，阐明了氦冷铅锂包层内破口事故的压力传播和包层结构响应特性，探究了氦气-铅锂两相流动特征及其对屏蔽性能影响研究，并提出相应改进建议，为氦冷液态铅锂包层的安全设计和性能改进提供了支持。