NBI综合测试台低温真空系统设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院等离子体物理研究所 作者:谢远来

  低温真空系统是NBI 综合测试台(NBITF)的一个重要子系统,它为与束的生成和传输过程相关的各类实验提供真空环境支持。在介绍NBITF 基本组成的基础上,重点阐述了其低温真空系统的冷凝屏结构与布局设计、气源特性和热负荷特性,并最终讨论确定了低温真空系统的冷量供给形式。实验结果表明,该低温真空系统的设计能满足NBITF 的设计使用要求,并验证了EAST-NBI 低温真空系统设计的正确性。

  中性束注入器(Neutral Beam Injector, 简称NBI)是一套用于产生高能带电粒子束并对其进行中性化以形成高能中性粒子束、最终将高能中性粒子束注入到磁约束聚变装置内用以加热等离子体、驱动等离子体电流的装置。中性束注入器由离子源、中性化室、偏转磁体、漂移管道、电源系统、测控系统、低温真空系统等功能单元组成。为了在国家大科学工程项目EAST 超导托卡马克核聚变实验装置上开展高水平实验研究,等离子体物理研究所申请为EAST研制设计参数为40~70 A、50~80 keV、10~100 s 的NBI (简称EAST-NBI) 并首获国家发展与改革委员会的支持。EAST-NBI 属基于正离子源的长脉冲、高功率NBI,在研制过程中有许多关键性物理与工程技术问题需要研究解决。在EAST-NBI 建成之后,针对其运行中出现的问题和现象亦需进行专项研究以解决问题并加深对现象背后的物理机制的理解。在NBI 研制之初首先建立测试台开展针对性的物理与工程研究属国际上的通行做法。同时,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)考虑到开展NBI 相关实验须考虑高电压、高真空、辐射条件下的人员保护问题,在EAST 两轮实验之间的检修维护期不具备利用EAST-NBI装置开展专项研究的条件, 为圆满完成EAST-NBI 研制任务并为后续的NBI 相关研究提供硬件条件,于2010 年即开始了NBI 综合测试台(NBI test facility,简称NBITF)的研制。低温真空系统是NBITF 的一个重要子系统,它为与束的生成和传输过程相关的各类实验提供真空环境支持。

1、NBITF 的基本组成

  NBITF 的组成结构示意图如图1 所示。在总体上可认为NBITF 各主要部件均按照EAST-NBI对应部件原型样机的标准制造,以验证设计的正确性并寻求改进优化的具体措施。为了充分发挥科研资金的价值、扩展NBITF 的功能,计划将来在主真空室后设计安装专门的样品测试室,以便为根据需要选择利用离子束或中性束在样品测试室内开展高能粒子辐照损伤研究、高热流条件下的换热优化实验研究、聚变装置第一壁相关的热力学测试研究、材料改性研究等提供硬件上的支持,NBITF 采用一台离子源,可提供离子束4 MW、中性束2 MW、束斑120 mm×480 mm 的平行束用于科学研究,其能力与国外同类科研装置相比无疑有非常大的优势。

NBI 综合测试台组成结构示意图

图1 NBI 综合测试台组成结构示意图

2、NBITF 的低温真空系统

  NBITF 的低温真空系统由低温泵组和为低温泵组提供冷量的低温系统两部分组成,其功能主要包括:(1)维持NBITF 内的真空环境以满足各种测试实验对真空环境的要求;(2)验证即将建立的EAST-NBI 低温真空系统的工程可行性。NBITF低温真空系统设计的关键在于阐明低温冷凝屏结构及其布局的基础上,确定其热负荷特性并最终确定其冷量需求以完成低温系统的选型设计,最终结合束引出实验验证总体设计的合理性。

2.1、低温冷凝屏结构及其布局

  为了实现NBITF 低温真空系统的既定功能,低温泵组及其在主真空室内的布局采用与EAST-NBI 完全相同的结构设计,低温泵组以低温冷凝抽气屏的形式设计安装在主真空室内,称为前低温冷凝屏和后低温冷凝屏。

  为了安装维护方便,将主真空室设计为通过法兰连接的三段式结构,前低温冷凝屏设计为双面抽气的饼形结构并通过悬挂的方式安装在主真空室第三段内,确保其在发挥抽气功能的同时亦能起到气体挡板的作用。为了向后端输送束流以及安装功率测量靶以便对束功率进行截止测量,其中间部位设计预留了专门的束流通道和功率测量靶安装空间。根据前低温冷凝屏的设计,最终确定的前低温冷凝屏及其在主真空室内的安装形式如图2 所示。

  前低温冷凝屏单侧抽气面积为3 m2,抽气面工作过程中吸收的热量依靠冷凝板上焊接的冷却管内的液氦的汽化潜热提供,冷凝板两侧设置了120°人字形防辐射挡板,其吸收的热负荷通过其上焊接的冷却管内的液氮的汽化潜热提供。后低温冷凝屏采用30 组基于相同原理结构的基本单元焊接装配而成,整体成圆环形,以同轴的方式悬挂安装于圆形主真空室第一段内。在圆环形后低温冷凝屏的内部空间中设计安装了中性化室、离子吞食器和气体挡板。气体挡板将后低温冷凝屏在轴向按3∶1 的比例分为两个相对独立的抽气单元,气体挡板上束通道处留有供束通过的孔。后低温冷凝屏及其在主真空内的安装形式如图3 所示,其冷量供给形式与前低温冷凝屏完全相同。

安装在主真空室内的前低温冷凝屏

图2 安装在主真空室内的前低温冷凝屏

图3 安装在主真空室内的后低温冷凝屏

2.2、低温真空系统的气源特性

  气源特性是确定低温冷凝屏热负荷提供依据之一。对于NBITF 低温真空系统,其真空抽气部分采用与EAST-NBI 完全相同的设计,目的在于检验和预估EAST-NBI 低温真空系统设计的正确性。但两者在气源特性上存在差异:(1)被抽气体种类不同,NBITF 安装在NBI 实验室内,考虑到束引出时的人员安全问题,工作气体确定为H2,而非EAST-NBI 常规实验时所采用的D2;(2)NBITF 仅设计安装一台离子源和相应的束传输部件,这将导致其气源分布与大小仅与这单台离子源的束生成和传输过程相关。

  NBITF 低温真空系统的气源分布示意图如图4所示,系统的气体负载主要来自两方面:由中性化室出口进入主真空室的气体和束流粒子与各束流限制器、离子吞食器、功率测量靶等处的壁面碰撞产生的气体。

NBITF 低温真空系统的气源分布示意图

图4 NBITF 低温真空系统的气源分布示意图

  图4 所示的各符号的意义及各气源气量大小的分析计算方法可参见文献。对NBITF 低温真空系统而言,虽然气源特性受实验过程的影响,但在假定束流粒子与壁面碰撞后将产生与其粒子数相当的气体的前提下,其总气体负载的大小可认为等于系统的总进气量Q。Q 的大小取决于:离子源的气体利用效率ηg;离子源引出的离子束中H+1 、H+2、H+3 的成分比ε1:ε2:ε3;离子源引出束流I;中性化室达到最佳靶厚所需要的补充充气量QNeu。假定ηg=0.5,ε1:ε2:ε3 为0.8、0.14、0.06,I=70 A,QNeu=1.33 Pa·m3/s,则可算得Q=3.56 Pa·m3/s。

2.3、低温真空系统的热负荷特性

  低温真空系统的总热负荷主要包括前后两组低温冷凝屏的热负荷以及为两组低温冷凝屏输送冷量的传输管线的热负荷两部分。低温冷凝屏有冷凝板所属的氦侧和防辐射挡板所属的氮侧两个相对独立的冷却回路,故每一部分的热负荷又可分为氦侧热负荷和氮侧热负荷。低温冷凝屏的氮侧热负荷相对应的冷量设计为由来自液氮贮槽的液氮提供,在此不做分析,仅重点讨论氦侧热负荷及其大小,以便为氦侧冷量供给方式的选择提供依据。

  冷凝板所属的氦侧热负荷受NBITF 工作状态的影响,当NBITF 处于实验状态(包括离子源起弧和束引出)时,冷凝板将承受Q=3.56 Pa·m3/s的气体冷却、冷凝载热,当NBITF 处于实验等待状态则不需要考虑这部分气体冷却、冷凝载热。单位气体量的H2 在冷凝板上的冷却、冷凝载热按qc=4.4 J/Pa·m3 考虑,则当NBITF 处于实验状态时冷凝板将承受的热负荷QH2=15.66 W。

  假定与冷凝板相对的防辐射挡板经发黑处理后发射率σ=0.9、温度T1=90 K,冷凝板温度T2=4.5 K、其发射率受加工工艺与杂质气体冷凝沉积的影响取为σ2=0.5。则对冷凝板面积A1=6 m2 的前低温冷凝屏,其受到来自防辐射挡板的辐射热Qr1=10.58W;对冷凝板面积A2=8 m2 的后低温冷凝屏,其受到来自防辐射挡板的辐射热Qr2=14.88 W。由于经过发黑处理的防辐射挡板具光学密闭特性,经防辐射挡板透射到低温冷凝板上的热负荷忽略不计。

  前低温冷凝屏的冷凝板由10 个304 不锈钢吊挂件吊挂于防辐射挡板上,吊挂件为夹板式结构,其截面积A=30 mm2、单侧长度L=250 mm,取T1=90 K、T2=4.5 K,则由吊挂件带给前低温冷凝屏冷凝板的总热负荷Qc1=1.01 W。后低温冷凝屏由直径为0.8 mm 的钢丝悬挂在防辐射挡板上,其导热可忽略不计,

  NBITF 前后两低温冷凝屏间拟采取串联连接的方式与冷量输送管道相连接,根据其在NBI 实验室的总体规划,氦输液回气管的总长度按20 m考虑。因NBITF 需要的维护工作量比较大,为维护方便考虑,氦输液回气管采用多层绝热的单根插拔式设计,其漏热按0.1 W/m 考虑,则氦输液回气管总漏热QTL=2 W。

  根据以上分析,可确定NBITF 低温真空系统在实验状态时的氦侧热负荷QHe=44.13 W,实验等待状态时的氦侧热负荷QHe=28.47 W。

2.4、低温真空系统的冷量供给

  在NBITF 低温真空系统冷量供给方式的选择上需考虑的因素有:(1) 在NBITF 上开展的各种与束生成和传输相关的实验均需要低温真空系统的支持,低温真空系统的稳定工作对实验的正常开展有非常重要的意义;(2) 在NBITF 上开展与束生成和传输相关的实验时,考虑到高电压、束引出条件下的人身安全问题,须采用远程实时测控方式;(3) 在NBITF 上连续开展实验工作的量大、时间长,其低温真空系统的冷量供给方式在经济性上应具有比较优势。

  低温冷凝屏防辐射挡板冷却及维持温度于设定值所需的液氮采用专门的、容积为10 m3 的液氮贮槽提供,实验期间根据需要从市场上采购液氮予以补充。低温屏冷凝板冷却及维持温度于设定值所需的液氦有两种可选方式:根据实验安排临时外购;购买氦制冷机组建氦气液化、供冷、回收再液化子系统。由于低温冷凝抽氢过程对温度的敏感性很高且低温温度测量有时滞性,为了获得稳定的低温真空特性、避免非预期的再生,最佳方式是按照不小于实验状态时的氦侧热负荷向冷凝板提供冷量。NBITF 每年的累计实验时间预计不少于100 天,假定需要的液氦仅需支付50 元/ 升的液化费用,则每年需要花费不少于760 万的液化费。根据QHe 值的大小并考虑1.5 倍的安全因子以及后期样品测试室安装低温冷凝屏的冷量需求,经市场调研最终选定经适当改造的瑞士LINDE 公司LR70 氦制冷机组建专门的氦气液化、供冷、回收再液化子系统。该制冷机在无液氮预冷模式下确保具备100 W×4.5 K 的供冷能力,可完全满足NBITF 的用冷需求。NBITF 低温真空系统流程图如图5 所示。

NBITF 低温真空系统流程图

图5 NBITF 低温真空系统流程图

  在实验期间,通过制冷机连接NBITF 的冷量输出口控制阀可方便实现对低温真空系统的降温、维持冷凝面温度稳定、回温再生等过程控制,多余的冷量将以液氦的形式暂时储存在液氦杜瓦内,必要时可通过点加热丝进行液面控制,也可通过气体管理模块降低压缩机排气口的压力来调整制冷机的冷量输出能力以匹配NBITF 的氦侧冷量需求。

3、实验结果及讨论

  在完成NBITF 低温真空系统两低温冷凝屏的研制及氦制冷机的采购安装后,对低温冷凝屏进行了常温和液氮温度下的漏率测试,对制冷机进行了制冷能力测试。氦制冷机在无液氮预冷条件下的制冷能力为126W×4.5 K,在辅助抽气机组分子泵排气口用氦质谱检漏仪检漏并证实无可检出漏点后,连接氦制冷机与低温冷凝屏进行了抽速测试并配合离子源进行了起弧和束引出实验,实测对氢总抽速大于1.4×106 L/s,能很好满足NBITF 实验需求,并能方便的实现对低温真空系统降温、冷凝面温度调节、回温再生等过程的远程控制,该设计应能推广应用于同类型的EAST-NBI 项目。

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