聚变能被广泛视为解决全球能源危机的有前景的长期方案。在各种聚变反应中，氘 - 氚（D-T）反应被认为是最适合在工程规模托卡马克装置中近期部署的反应。为了确保自持燃料循环，实施氚增殖包层是至关重要的。这些包层采用固态或液态增殖材料，通过锂与中子的相互作用产生氚，通常实现的氚增殖比（TBR）在 1.10 到 1.15 范围内 [1,2]。为了闭合燃料循环，必须在包层系统中集成高效的氚提取系统。
与固态包层相比，液态包层利用循环液态金属，能够实时连续回收氚。锂铅（PbLi）共晶是一种被广泛采用的液态增殖剂，因为它具备作为氚增殖材料、中子倍增剂和冷却剂的多功能性。虽然液态包层具有结构简单、易于制造和使用成本效益高的增殖材料等优势，但氚管理仍然是一个重大挑战。氚在结构材料中的高扩散性、溶解度和渗透性可能导致氢致降解，如脆化，这威胁到反应堆组件的完整性 [3]。因此，氚提取系统实现高效率——理想情况下高于 80%——对于减轻环境和安全风险，并确保回收的氚及时重新整合到反应堆的燃料循环中至关重要。因此，开发高效且可扩展的氚提取技术对于聚变能的实际应用至关重要。
早期和近期的综述指出，在过去几十年中，提出了各种氚提取技术并进行了调查，以应用于液态包层系统 [[4], [5], [6]]。这些包括气液接触器（GLCs）[[7], [8], [9]]、真空筛板（VSTs）[[10], [11], [12]] 和真空渗透器（PAVs）[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]，其示意图如图 1 所示。虽然 VSTs 和 PAVs 具有结构紧凑、提取效率高和消除辅助系统等优势，但它们的技术成熟度仍然有限。例如，VSTs 容易受到喷嘴腐蚀，需要对喷嘴配置和腔体几何形状进行进一步优化 [12]。另一方面，PAVs 依赖于具有高性能渗透性、耐腐蚀性和机械强度的先进膜材料 [20]。此外，液态 PbLi 与膜材料之间的化学相容性带来了额外的技术挑战。
相比之下，气液接触器技术相对成熟并得到了广泛验证。GLCs 具有简单的结构设计、易于制造和安装以及可靠的性能。常见的 GLC 配置——如鼓泡塔和填料塔——广泛用于化工行业中的提取、蒸馏和气体吸收等应用。由于其操作稳定性和简单性，GLCs 已被选为欧盟基于 PbLi 的 ITER 测试包层模块（TBM）的参考氚提取方法 [21]。在典型的 GLC 中，液态 PbLi 与氦气吹扫气体逆流流动。氚在分压梯度的驱动下跨气液界面扩散，随后被氦气流输送到氚处理系统。
GLCs 的性能已得到多个研究组的实验证实 [[7], [8], [9],22,23]。在大多数实验研究中，使用氢作为氚的替代物，氩气作为吹扫气体。结果表明，GLCs 对于从 PbLi 中提取氚是有效的，尽管观察到的提取效率通常在 10% 到 30% 的范围内，表明仍有改进空间。此外，对 GLCs 内部详细流动和质量传递数据的有限访问突显了数值模拟作为研究这些复杂过程工具的价值。
之前的数值研究模拟了单级 GLC 在 PbLi 和氦气逆流下的氚提取特性 [24]。模拟结果表明，单个 GLC 可以实现约 20.8% 的提取效率，这表明通过串联超过十几个 GLCs 可以达到约 95% 的总效率。基于这一见解，提出了一种由串联 GLC 单元组成的多级氚提取系统，用于液态 PbLi 包层。然而，这种配置的可行性和操作性能仍有待系统评估。
在本研究中，进行了一项数值研究，以评估多级串联 GLC 系统的氚提取性能。该研究旨在阐明此类配置中的流动动力学和质量传递机制，并评估系统的全球提取效率是否满足聚变反应堆运行的要求。第 2 节描述了数学和物理模型，包括控制方程、水平集方法、平流 - 扩散模型和假设。第 3 节介绍了数值模型、网格、边界条件和性能评估程序。第 4 节比较了两级、三级、六级、优化六级和十三级系统的水力行为和提取性能。第 5 节总结了主要结论和未来工作方向。
