ITER导体检漏真空室的设计与优化(2)

图3 真空室应力分布图

　　以上ANSYS优化设计所得的壁厚为单纯考虑外部大气压作用时的计算壁厚，实际壁厚还应该加上壁厚附加量，若取封头的附加壁厚为4.8mm,圆筒的附加壁厚为1.8 mm。则用ANSYS优化设计得到的结果为：封头壁厚15mm，圆筒壁厚10mm。由此我们可以看出运用ANSYS软件对真空室结构进行优化设计能大大节省原材料，降低成本。

2、真空机组设计

　　ITER导体检漏真空室必须满足极限真空漏率要求，制造过程中需进行部件检漏和整体检漏，本底真空度要好于10^-4 Pa，真空室整体漏率不大于1×10^{- 9} Pa·m³/s，上封头材料和焊缝的总漏率小于10^{- 10} Pa·m³/s，中间筒体材料和焊缝的总漏率小于10^{- 10} Pa·m³/s。

　　真空室全部采用304不锈钢材料制造，真空室表面积为95.6m²，检漏导体表面积为268m²，总表面积为A=363.6m²；容器空载体积V=105.7m³ 。真空室工作压力Pg=1.0×10^{- 4}Pa；系统总的漏气量应好于1.0×10^{- 3}Pa·L/s；整个真空室内表面全部机械抛光，抽气10h后，材料单位面积出气率为q₁₀=2.7×10^{- 4} [Pa·L/(s·m²)]。

2.1、真空泵的选择

2.1.1、有效抽速S

　　真空室保持1.0×10- ⁴ Pa 工作压力所需要的真空系统的有效抽速S 为

S = Q/P_g[L/s] （10）

　　式中Q 为真空室的总气体量[Pa·L/s]，Q 由如下两部分组成，即

Q = Q₁ + Q₂ [Pa·L/s] （11）

式中Q1———真空室及真空元件的出气量；
　　Q2———真空室的总漏气量；

　　将（11）代入（10）得到有效抽速S 为:

2.1.2、分子泵的抽速Sp

　　经计算分子泵与真空排气口间总流导U 为2878 L/s，那么分子泵的抽速Sp 可由下式计算出来

　　因此根据真空室要求的工作压力Pg=1.0×10^{- 4} Pa 及所需要的抽速Sp， 决定选用1 台1600L/s 复合分子泵作为真空系统的主泵，选择1 台15L/s 的机械泵作为分子泵的前级泵。

2.2、抽气时间计算

　　真空室总体积约为105 m³， 工作压力1.0×10^{- 4} Pa ，选用两台70L/s的机械泵作为粗抽泵将真空室由大气压粗抽到20Pa, 则粗抽时间为：

式中t———抽气时间,s
　　S_p———泵的名义抽速,L/s
　　V———真空设备容积,L
　　K_q———修正系数，本文取2
　　p_i———设备开始抽气时的压力（Pa）
　　p———经t 时间抽气后的压力（Pa）

　　真空室压力抽到20Pa时，启动分子泵。考虑出气的影响，10h后的出气量为

Q10=q10× A=2.7×10-4×363.6=982×10^-2 [Pa·L/s] (15)

　　此时真空室的压力为

　　所以抽气10h后可达到真空室的工作压力1.0×10^-4 Pa。

　　因此整个真空系统就由1台1600L/s复合分子泵、1台15L/s前级泵，2台70L/s的粗抽泵组成。真空系统的结构如图4所示：

图4 真空系统结构图

3、结论

　　本文对两种不同结构的真空室壁厚进行了计算，不设置中部加强筋时真空室圆筒壁厚为19.3 mm，设置加强筋后壁厚可以减少4.3 mm；采用ANSYS 软件对整个真空室进行优化设计得到最优壁厚为：上、下封头15mm，圆筒10mm，因此可见在满足真空室刚度和强度要求的条件下按照ANSYS 优化设计可以节省大量原材料。根据真空室要求的工作压力pg=1.0×10^-4 Pa 及所需要的抽速Sp，选择1 台1600 L/s 复合分子泵、1台15 L/s 前级泵，2 台70 L/s 的粗抽泵组成的真空机组是可行的，抽气10 h 后可以达到真空室要求的工作压力。