NBI综合测试台后低温冷凝泵热负荷分析与计算

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:刘志伟

  NBI综合测试台的建立,是为了对未来用于EAST装置的中性束注入器(NBI)进行性能测试并进行相关物理实验。低温冷凝泵是为NBI提供稳定的动态真空环境的重要部件,低温泵的工作状况直接关系到束的传输效率。结合后低温冷凝泵的工作情况,对其进行了热负荷计算,并对影响热负荷的一些因素进行了分析,为后续的热应力分析和低温系统的设计提供参考。

1、引言

  NBI是一套用于产生高能带电粒子束并对其进行中性化、最终将高能中性粒子束注入到聚变装置内用以加热等离子体、驱动等离子体电流的装置。

  图1为NBI结构示意图。NBI由离子源、中性化室、偏转磁铁、低温真空系统、电源系统、测控系统等功能单元组成。

  就低温真空技术而言,要保证束的高效传输,需要有一个稳定的动态真空,低温泵是为NBI提供真空环境的主要设备,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为它的运行情况直接关系到束传输效率的高低并影响到整个束线内其他部件的使用寿命与使用安全。

  NBI低温泵是由液氮冷却的防辐射挡板和液氦冷却的起冷凝吸附作用的液氦板组成,分为前、后低温冷凝泵,前低温冷凝泵呈圆片状,中间预留了束通道和功率测量靶的安装位置;后低温冷凝泵呈圆筒状,承担着57%左右的抽气任务。

NBI结构示意图

图1 NBI结构示意图

2、结构

  后低温冷凝泵是低温系统的一部分,安装在NBI真空室第一段内,以30个改进型的Santeler防辐射板铝制拉伸件为基础搭建起来,长1.633m。防辐射屏和液氦板分别采用液氮、液氦迫流冷却,液氦板由钢丝吊挂在防辐射屏上,钢丝与防辐射屏和液氦板之间垫有陶瓷垫片,以此增加热阻,减少导热。液氮防辐射屏和液氦板的空间布置如图1所示。在真空室与低温冷凝泵之间有两层间隔0.5mm的抛光铝材制作的遮热板,运行时最外层真空室壁面温度为室温,此处取室温300K、液氮防辐射屏77K、液氦冷凝板4.2K进行计算分析。图3是装配完成后的后低温冷凝泵示意图。

液氮防辐射屏和液氦板的空间布局

1-液氮防辐射屏;2-液氦板;3-液氮通道;4-液氦管

图2 液氮防辐射屏和液氦板的空间布局

后低温冷凝泵示意图

图3 后低温冷凝泵示意图

  3、后低温冷凝泵热负荷分析

  后低温冷凝泵的热负荷主要来自真空室的辐射、被冷凝气体载热等,为方便以后液氮、液氦耗量的计算及储槽的选择,下面分别分析计算液氮防辐射屏和液氦板的热负荷。

  3.1、液氮防辐射屏的热负荷

  后低温冷凝泵液氮防辐射屏包裹着液氦板,既阻挡了室温真空筒壁对液氦板的辐射,又可防止气体分子直接与液氦板碰撞带来的大量热量产生。针对防辐射屏的工作环境,对其进行热负荷分析。

5、结论

  (1)从上面的分析中可以看出,热流最大处集中在液氮防辐射挡板的处和冷凝板的最外侧,在降温或低温屏再生期间会对此处造成较大的冲击,应注意此处的变形。分析中仅考虑的是液氮挡板对冷凝板的辐射,没有考虑其他热载荷,在所有载荷的共同作用下,热流和温度分布都会有所变化。

  (2)两层遮热板的温度更接近于热边界(即真空室壁)。内层遮热板虽直接面向冷边界,但是温度更接近隔着外遮热板的热边界。这意味着,若是多层绝热,将其贴附在热边界的绝热效果要好于将其贴附在冷边界。

  (3)经计算,液氮系统的热负荷为411.47W,可以为液氮储罐选型提供依据。遮热板对降低室温对液氮系统的辐射热效果显著,辐射热的大小与材料表面状况及遮热板层数有关,要降低室温辐射,可以采用两种方式:

  ①对真空室内侧、遮热板表面、液氮防辐射屏表面进行处理,降低表面发射率;

  ②在有限空间内尽可能多的增加遮热板层数。

  为降低室温到低温壁面的导热量,可以在保证吊挂件强度的提前下,增加吊挂杆件的长径比。

  (4)分析了液氦系统的热量来源并对其进行了量化,得到液氦系统的热负荷为14.77W,为低温系统的设计及系统优化提供参考,为热应力分析提供热流边界条件。

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