EAST装置的内置式低温冷凝泵系统(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院等离子体物理研究所  作者:胡庆生

1、引言

  EAST 托卡马克是我国第一个超导磁约束聚变试验装置,主要用于等离子体物理实验研究和探索聚变试验反应堆所涉及的工程探索研究。EAST 装置的一个主要物理与工程目标是实现高参数条件下的等离子体长脉冲放电,这也是实现未来商业化稳态运行聚变反应堆所必须的条件。在长脉冲放电条件下有一个很重要的问题,就是及时排除放电室内多余的杂质气体,对于具有偏滤器控制位形的 EAST 装置,还要重点控制偏滤器区域高密度的杂质中性气体和多余的放电反应气体,防止这些中性气体杂质返流到等离子体芯部,导致放电参数降低甚至放电中断。为此,在偏滤器区域设置大抽速真空系统势在必行。

  由于 EAST 装置结构的限制,在装置外安装的各类真空抽气系统,抽气效率受到管道流导的限制,抽气速度不能满足等离子体放电时排除气体负载的要求,而且装置内的中性气体粒子的排除能力也不能达到环向均匀分布的要求。因此在偏滤器靶板下设置大抽速低温冷凝泵,是实现稳态偏滤器位形等离子体放电的必须的选择。

  为了给低温泵提供冷源,EAST 低温供液系统做了改造,使低温泵系统有独立的液氦、液氮分配阀箱,低温系统的有效制冷功率也有所提高。

  参考国际热核聚变实验反应堆(ITER)的试验模式,EAST装置将优先采用单零磁面控制位形的放电模式,偏滤器区域主要位于装置的下方,基于这种考虑,我们将首套内置式低温泵设置在装置下偏滤器外靶板附近。

  考虑到研制的风险,目前我们仅安装了一套该冷凝泵系统,并于 2008 年进行了性能测试,2009 年投入到偏滤器物理试验研究。该系统经受了深低温、大温差变形、装置电动力及振动影响的考验,没有发生密封泄露现象,并且达到了预期的冷凝温度和所要求的真空抽气速度,降低了放电试验过程中的杂质气体含量水平,为长脉冲等离子体放电提供了重要保障。

2、内置式低温泵基本设计与制造

  根据等离子体放电参数,最初的偏滤器抽气速度期望值为1.5×10 4L/S。最初,我们曾希望通过安装连通于偏滤器区域的外置式低温泵,提供所需要的排气能力,但由于所通过的管道较长,抽气能力受到限制,不能达到期望值。考虑到 EAST 托卡马克是由16个单元体组成,装置上、下各有 16 个窗口,我们就评估了多窗口输入低温液体,并在装置内部形成多个分离的冷凝泵的可行性,但由于窗口及装置内部空间的限制,这个方案也没有实现。最终,确定低温泵抽气面为环形体,在被动靶板下环绕一圈,低温液氦、液氮的供应只占用1个装置下窗口。这种设计参考了国外的经验,可以使空间占用体积最小,同时由于内置式泵位于放电真空室内,克服了外置式低温泵所面临的流导限制,大大提高了冷凝泵的抽气效率。根据等离子体物理实验的需要,我们设计了4套内置式低温泵系统,但考虑到设计与工程风险,2008 年我们仅研制安装了1套,安装在装置优先级较高的下偏滤器被动靶板的外侧。

  该系统由两大部分组成:1)具有有效抽气面的环体泵,2)低温输液系统。 环体泵的抽气能力就是内置式低温泵的主要抽气能力,这种抽气能力主要来自于由液氦冷却的环形金属管表面的冷凝和吸附作用,部分抽气能力还来自于冷凝面吸附层的二次捕集能力。在 EAST 上,由液氦冷却的环形泵吸附表面积约为 1m2, 这意味着它对氘气的抽除能力约为 7.9×104L/S,对氢气的抽速约为 1.1×105L/S,对水蒸汽的抽速约为 3.7×104L/S,对二氧化碳的抽速约为 2.4×104L/S。由于EAST 托卡马克装置的工作气体为氘气和氢气,对工作气体的大抽气速度,也意味着在内置式低温泵投入运行的条件,等离子体放电过程中多余的工作气体能够被及时排除,放电将在新的气体平衡条件下进行。为了兼顾装置内部条件,并最大化内置式低温泵的抽气能力,我们将环体泵的位置设置在大半径 2115 mm高度为装置赤道面以下 900 mm处(图 1)。由于等离子体放电真空室内空间的限制,环体泵的设计与安装均要避免与支持石墨材料的热沉支撑的干涉,避免与密布于热沉结构下的冷却水管的干涉。低温输液系统连接了低温制冷系统和环体泵,用于输运液氦和液氮, 以冷却环体泵的抽气吸附面和热辐射保护屏。由于整个环体泵的温度均要冷却到 5K 附近,这就对输液系统的温度保持提出了很高的要求,为此,从低温液体的分配阀箱的设计,到阀箱的低温液体运输管路的热辐射防护,再到托卡马克装置颈管内的输液管路的设计加工,均有良好的热辐射防护设计。新设置的低温液体分配阀箱,能够同时供应6 套低温泵用液氦、液氮的需要,但目前仅使用了1套供液接口。对于这两个子系统的安装流程,在设计时就给予了充分考虑,这使得最终的安装能够顺利完成。

  环体泵实际上是由8个单元组合而成,虽然一些单元并不相同,需要独立设计,但每个单元均包含以下要素:液氦管道及其支撑结构,液氮管道及由液氮冷却的内、外热辐射屏,最外围还有常温热辐射屏和单元弹性支撑。每个单元均在托卡马克装置外组装完成,然后在装置真空室内分别预安装,最后连接单元之间的氦管及氮管,最后8个单元组合成一个大环形的冷凝泵。这种单元化设计与安装可以快速适应装置内部部件的调整或改动,使工程进度基本不受影响。

  环体泵的功能核心零件是一个由液氦冷却的环形管,冷却的温度可以达到 5K,而该氦管的外围是由液氮冷却到 80K 的液氮辐射保护屏,液氮辐射保护屏的外围是常温热辐射屏,这种结构可以环境温度及热流对氦管温度的影响,使冷凝泵保持良好的冷凝吸附抽气能力。( 图 2 )为了防止高温零件对低温零件的热传导,环体泵的每个单元的支撑零件均做了细致设计。对于液氦管道的支撑,采用了弹簧支撑的方式,这可以大大延长 80K温度的零件对 5K温度零件的热传导距离,而液氮辐射保护屏与常温辐射屏之间的支撑,采用了接触面很小而热阻较大的陶瓷材料。单元的最外围支撑采用了板簧结构,这既加长了热传导的距离,也使单元体的安装和应用更具有环境适应性。

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