KTX反场箍缩实验装置感应加热烘烤除气方案设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学技术大学近代物理系 作者:黄方成

  KTX 反场箍缩实验装置不锈钢环形真空室外包覆一层1. 5 mm 厚无氧铜皮用来稳定等离子体,真空室外壁与铜皮间用聚四氟薄板隔开,简单的壁加热烘烤除气手段难以实现。巧妙地将纵场( TF) 线圈作为感应加热线圈,通过工频电磁感应直接加热方法来实现真空室的烘烤除气。计算了热平衡条件下由于传导、对流引起的热量损失确定了保温阶段所需的加热功率。工频电源采用三相交流供电,晶闸管全波整流; 4 只晶闸管构成的H 桥逆变电路为串联LC 谐振电路供电。电源频率选择2000 Hz,通过对系统电参数的计算,确定串联谐振电容参数。串联LC谐振电路等效为纯电阻电路,通过改变整流晶闸管的触发角改变直流电压来实现加热功率在0 ~ 153 kW 间可调,满足了加热初始大功率升温和后阶段小功率保温的加热流程的要求。加热中通过TF 线圈的电流、电压以及过程中的温升对TF 线圈都是安全的,设计方案可行。

  KTX 反场箍缩实验装置是为国际热核聚变实验堆( ITER) 计划专项,国内研究: 反场箍缩( RFP)磁约束聚变位形研究项目而设计的。设计参数为:大半径1. 4 m,小半径0. 4 m,最大等离子体电流1MA,电子密度2 × 1019 m - 3,电子温度600 eV,放电时间100 ms; 环形真空室壁材为SS316L 不锈钢,厚6 mm,容积4. 4 m3,表面积22 m2,采用氟橡胶密封;为了提供等离子体高真空运行环境,要求极限真空度1. 2 × 10 -6 Pa。抽气系统为: 6 套分别由分子泵罗茨泵机械泵组成的机组并联抽气,总抽速为6000 L /s,低温泵值班维持。为了确保洁净的真空条件,对真空室进行加热烘烤除气是必要地、也是有效地手段。真空烘烤除气一般采用在真空室外表面缠绕加热带、或覆盖加热被等间接加热的方法,也有向真空室表面吹高热氮气的方法进行加热的。因KTX 真空室外表面包覆了一层厚1. 5mm 来稳定等离子体的无氧铜皮,在真空室与铜皮之间用聚四氟膜隔开,简单加热烘烤方法都难以实现。恰好铜皮包覆在赤道面内侧留有张角近60°一条缝,角向没有构成闭合电通路,为利用纵场线圈作为感应加热线圈,通过电磁感应产生涡旋电流的欧姆耗散直接加热真空室壁,进行感应加热烘烤除气。

KTX 真空烘烤系统的功能和方法:

  KTX 反场箍缩装置真空烘烤系统的主要功能是将真空室烘烤到≤200℃,让吸附在真空器壁上的气体释放出来,由真空抽气系统抽走,从而获得洁净的真空条件。

  KTX 真空烘烤系统拟采用TF 线圈作为工频感应加热线圈,通过工频电磁感应在真空室壁上产生涡旋电流,通过器壁电阻的欧姆耗散焦耳热来加热真空室来实现。TF 线圈总匝数为288 匝,真空室等效为1 匝线圈,因此纵场线圈与真空室之间等效一个变压器其变压比为288∶ 1。

KTX 真空室和TF 线圈的基本情况

  KTX 真空室和TF 线圈参数如表1 和表2 所示,KTX 真空室和TF 线圈结构如图1 所示。因KTX 真空室所有密封均采用氟橡胶密封,且在真空室与铜包覆之间填充有聚四氟绝缘层,因此烘烤温度确定为200℃,确保不会损坏密封圈和绝缘。

KTX 真空室结构与TF 线圈

图1 KTX 真空室结构与TF 线圈

表1 KTX 真空室参数

KTX 真空室参数

表2 TF 线圈参数

TF 线圈参数

结论

  KTX 反场箍缩实验装置的环形真空室加热烘烤除气巧妙利用TF 线圈作为感应加热线圈,通过2000 Hz 工频感应直接加热真空室,根据系统电参数加热功率可以达到150 kW,原理性实验表明电路设计合理。在加温起始阶段可以使真空室快速升温,当温度到达200℃时,加热功率只需36 kW 就可以维持温度不变。加热时通过TF 线圈的电流和加在TF 线圈上的电压均不超过允许值,在整个48 h加热过程中TF 线圈温升很小,因此该设计是完全可行的。

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