EAST-NBI用差分式低溫冷凝泵的設(shè)計(jì)
為了維持EAST-NBI內(nèi)的真空環(huán)境以滿足中性束生成與傳輸過(guò)程對(duì)真空壓力分布的要求，設(shè)計(jì)了EAST-NBI用差分式低溫冷凝泵。本文概述了中性束注入加熱的原理以及EAST-NBI真空系統(tǒng)的組成，詳細(xì)闡述了EAST-NBI用差分式低溫冷凝泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抽速和冷凝面積的確定，液氦系統(tǒng)和液氮系統(tǒng)熱負(fù)荷的計(jì)算等關(guān)鍵問(wèn)題。該差分式低溫冷凝泵通過(guò)在EAST-NBI綜合測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿足EAST-NBI對(duì)真空系統(tǒng)的要求。
中性束注入加熱(neutral beam injection，簡(jiǎn)稱NBI)主要是利用注入的高能中性粒子束在等離子體中的電離、熱化，最終把能量轉(zhuǎn)化成等離子體的內(nèi)能，從而提高等離子體溫度。中性束傳輸過(guò)程所需真空環(huán)境由真空獲得設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。低溫冷凝泵同其它真空獲得設(shè)備相比具有真空潔凈、極限真空度高、有非常大的抽速、適用于氣體負(fù)載大的場(chǎng)合、占地面積少、布置靈活、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為了獲得滿足EAST-NBI所要求的大氣體負(fù)載下的潔凈真空環(huán)境，考慮到空間有限、電磁環(huán)境惡劣等情況，EAST-NBI選用低溫冷凝泵作為主要真空獲得設(shè)備。
EAST-NBI的真空系統(tǒng)由分子泵機(jī)組構(gòu)成的輔助抽氣系統(tǒng)和由低溫冷凝泵構(gòu)成的主抽氣系統(tǒng)所組成。EAST-NBI系統(tǒng)不同部位對(duì)真空度的要求不一樣，為了滿足其對(duì)束線內(nèi)部壓力梯度分布的要求，EAST-NBI主抽氣系統(tǒng)采用差分抽氣結(jié)構(gòu)，即用兩臺(tái)不同抽速的低溫冷凝泵分別布置于主真空室第一段和第三段。為實(shí)現(xiàn)差分抽氣，在真空室內(nèi)部不同部位設(shè)置低溫冷凝泵的同時(shí)，分兩處設(shè)置氣體擋板以增大氣體流阻。為了提供中性化室所需的真空環(huán)境，布置于主真空室第一段的主低溫冷凝泵呈圓環(huán)形，以與束線圓形真空室同軸的方式布置在中性化室部位，在主低溫冷凝泵與偏轉(zhuǎn)磁體間設(shè)置專門的氣體擋板，擋板中間留有供束通過(guò)的孔。布置于主真空室第三段的低溫冷凝泵稱為差分式低溫冷凝泵，主要功能是滿足束傳輸過(guò)程對(duì)真空室內(nèi)部壓力梯度分布的要求，該泵布置于偏轉(zhuǎn)磁體面向聚變裝置一側(cè)，呈圓餅狀，中間留有供束通過(guò)的孔，在抽氣的同時(shí)亦能起到氣體擋板的作用。兩處氣體擋板將EAST-NBI主真空室的內(nèi)部空間分為三部分。如圖1所示。
圖1 束生成與傳輸中的典型真空壓力分布要求
EAST-NBI工作氣體為氘氣，本文主要介紹布置于主真空室第三段的差分式低溫冷凝泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算。
1、差分式低溫冷凝泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
作為低溫真空系統(tǒng)主要部件的低溫冷凝屏，其基本結(jié)構(gòu)決定于被抽氣體種類和安裝使用條件，考慮到EAST-NBI低溫真空系統(tǒng)的主要?dú)怏w負(fù)載為氘氣，為達(dá)到有效抽氣的目的的同時(shí)有良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，低溫冷凝泵總體上設(shè)計(jì)為由低溫冷凝板和防輻射擋板(簡(jiǎn)稱輻射擋板)組成。低溫冷凝板的主要功能是利用冷凝抽氣機(jī)理抽除來(lái)自真空系統(tǒng)各氣源的氣體；輻射擋板的主要功能是吸收來(lái)自高溫壁面的輻射熱并冷卻到達(dá)低溫冷凝板的氣體。
根據(jù)EAST-NBI對(duì)低溫冷凝泵主抽氣系統(tǒng)的要求，并考慮到主真空室內(nèi)部空間條件，設(shè)計(jì)的差分式低溫冷凝泵有三層結(jié)構(gòu)，呈圓餅狀，以與中性束傳輸方向垂直的方式布置在主真空室第三段。如圖2所示。該低溫冷凝泵的中間一層為低溫冷凝板，其上設(shè)置了依靠真空釬焊固定的低溫管道。為吸收高溫壁面的輻射熱，冷卻到達(dá)低溫冷凝板的氣體，在低溫冷凝板的兩側(cè)分別布置了由液氮冷卻的輻射擋板。
對(duì)多種形狀擋板的傳輸幾率和透射系數(shù)進(jìn)行綜合考慮后，該擋板選取夾角為120°、表面采用黑色油漆噴涂的人字形擋板。此外，按EAST-NBI的總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，在該低溫冷凝泵的中心還須預(yù)留放置功率測(cè)量靶及束流通過(guò)的孔。
圖2 差分式低溫冷凝泵結(jié)構(gòu)示意圖
EAST-NBI低溫冷凝泵的低溫冷凝板所需要的冷量依靠低溫中心的氦制冷機(jī)系統(tǒng)提供，輻射擋板所需要的冷量由低溫中心的液氮貯罐輸送的液氮提供。低溫冷凝泵正常工作所需要的冷量通過(guò)專門設(shè)計(jì)的冷量輸送管道輸送至低溫冷凝泵的相應(yīng)接口，受熱汽化后的氦氣回到低溫中心的氦制冷機(jī)系統(tǒng)，氮?dú)鈩t直接排放至大氣。
EAST-NBI低溫冷凝泵工作在強(qiáng)磁場(chǎng)和有粒子輻照的環(huán)境中，故在材料的選取上除了要考慮其低溫真空條件的性質(zhì)，還要具有一定的抗磁性。綜合考慮以上要求，人字形擋板選用6061-T6鋁合金。液氮管和人字形擋板采取焊接連接，同時(shí)考慮液氮管的彎曲等問(wèn)題，液氮管選用1060鋁。液氦低溫冷凝板應(yīng)具有較高的傳熱系數(shù)，經(jīng)綜合考慮選用無(wú)氧銅制作�？紤]到材質(zhì)和焊接工藝等因素，為避免加工成型后的冷漏，液氦管道選用304不銹鋼制作。
2、差分式低溫冷凝泵的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1、低溫冷凝泵的性能參數(shù)設(shè)計(jì)
2.1.1、低溫冷凝泵的抽速確定
EAST-NBI用低溫冷凝泵抽速對(duì)NBI運(yùn)行條件下的動(dòng)態(tài)真空環(huán)境產(chǎn)生直接影響，合理選擇低溫冷凝泵抽速將確保該低溫真空系統(tǒng)在滿足NBI對(duì)真空壓力分布要求的前提下有較好的經(jīng)濟(jì)性。低溫冷凝泵抽速的確定主要取決于氣體負(fù)載的大小和系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)真空度的要求。EAST-NBI主真空室每段動(dòng)態(tài)真空壓力分別為：1×10-2，4×10-3，1×10-3 Pa。主真空室二段內(nèi)的氣體負(fù)載主要來(lái)源自主真空室一段進(jìn)入的氣體量、偏轉(zhuǎn)磁體和離子吞食器進(jìn)出口束流限制器處因束功率的沉積而產(chǎn)生的氣體量、離開主真空室二段進(jìn)入三段的氣體量；主真空室三段內(nèi)的氣體負(fù)載主要來(lái)源于自主真空室二段進(jìn)入的氣體量、漂移管道進(jìn)出口束流限制器處因束功率的沉積而產(chǎn)生的氣體量、離開主真空室三段經(jīng)漂移管道進(jìn)入EAST的氣體量。經(jīng)綜合考慮，布置于主真空室第三段的差分式低溫冷凝泵面向偏轉(zhuǎn)磁體一側(cè)需要具有的抽速至少為2.2×105L/s；面向漂移管道一側(cè)需要具有的抽速至少為2×105L/s。
根據(jù)EAST-NBI總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，該差分式低溫冷凝泵對(duì)氘的總抽速確定為4.5×105L/s。
2.1.2、低溫冷凝面積的確定
泵的抽速等于在入口壓強(qiáng)p和溫度T下被抽氣體的體積流量。根據(jù)比抽速式(1)
計(jì)算可得S'=7.732×104L/s。其中W=0.26為，人字形擋板的傳輸幾率；A=0.97，為低溫冷凝泵的凝結(jié)系數(shù)；C=0.01，為低溫冷凝泵的再蒸發(fā)幾率；T=290K，為被抽氣體的溫度；M=4kg/kmol，為氣體摩爾質(zhì)量。由前所述，此差分式低溫冷凝泵對(duì)氘抽速為4.5×105L/s。經(jīng)計(jì)算，該低溫冷凝泵所需要的總有效抽氣面積為5.82m2，低溫冷凝面的單面有效抽氣面積為2.91m2。
2.2、低溫冷凝泵熱負(fù)荷的計(jì)算
2.2.1、液氦系統(tǒng)的熱負(fù)荷
液氦系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要包括人字形擋板對(duì)低溫冷凝板的輻射熱，穿過(guò)人字形擋板透射到低溫冷凝面的熱負(fù)荷，氣體負(fù)載冷凝的熱負(fù)荷，液氦低溫冷凝板支撐件的導(dǎo)熱量，氣體的熱傳導(dǎo)。除此之外，液氦系統(tǒng)的熱負(fù)荷還包括經(jīng)溫度測(cè)量導(dǎo)線的漏熱，但由于在實(shí)際的安裝過(guò)程中采用增加長(zhǎng)度、安裝熱沉等處理措施，由其帶給低溫冷凝板的熱負(fù)荷可予以忽略。
(1)人字形擋板對(duì)低溫冷凝板的輻射熱
式中，eb=0.9，為100K人字形擋板的輻射系數(shù)；ek=0.2，為4.5K液氦低溫冷凝板的輻射系數(shù)；fb=[1+Akek(e-1 b-1)/Ab] -1；Ak=5.82m2，為液氦低溫冷凝板的有效輻射面積；Ab=5.82m2，為人字形擋板的有效輻射面積；R=5.67×10-8 W/(m2.K4)；Tb=100K，為人字形擋板的溫度；Tk=4.5K，為液氦低溫冷凝板的溫度。經(jīng)計(jì)算可得Q1=6.456W。
(2)穿過(guò)人字形擋板透射到低溫冷凝面的熱負(fù)荷
式中，tp=0.0007，為人字形擋板的透射系數(shù)；Tq=290K，為穿過(guò)人字形擋板的氣體溫度；其他參數(shù)同上。經(jīng)計(jì)算可得Q2=0.327W。
(3)氣體負(fù)載冷凝的熱負(fù)荷
氣體負(fù)載冷凝的熱負(fù)荷是與每秒入射Ak面上的分子數(shù)成比例的。由式(4)得
式中，S=4.5×105L/s為低溫冷凝泵的抽速；p=1×10-3 Pa為氣體壓強(qiáng)；$H(TbyTk)=3.183kJ/mol，為單位摩爾的熱焓；R=8.31425J/(mol.K)，為氣體普適常量；Tq=290K，為氣體負(fù)載的溫度。經(jīng)計(jì)算可得Q3=0.594W。
(4)液氦低溫冷凝板支撐件的導(dǎo)熱量
式中，Aj=30mm2，為支撐件的截面積；L=250mm，為支撐件的長(zhǎng)度；K為支撐件的導(dǎo)熱系數(shù)，K=3.787+0.024T；Th=100K，為支撐環(huán)的溫度；其它參數(shù)同上。經(jīng)計(jì)算可得Qc4=0.058W，Q4=10×2×Qc4=1.155W。
(5)氣體的熱傳導(dǎo)
經(jīng)過(guò)人字形擋板的未被低溫冷凝板冷凝的氣體對(duì)低溫冷凝板的熱傳導(dǎo)可用式(6)計(jì)算
2.2.2、液氮系統(tǒng)的熱負(fù)荷
液氮系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要包括真空室器壁對(duì)人字形擋板的輻射熱，氣體的熱傳導(dǎo)，液氮低溫冷凝板支撐件的導(dǎo)熱量。除此之外，液氮系統(tǒng)的熱負(fù)荷也包括經(jīng)溫度測(cè)量導(dǎo)線的漏熱，但由于在實(shí)際的安裝過(guò)程中采用和液氦系統(tǒng)同樣的處理措施，故這部分的熱負(fù)荷可以忽略不計(jì)。
液氮系統(tǒng)熱負(fù)荷與液氦系統(tǒng)熱負(fù)荷的計(jì)算方法相同，可算得液氮系統(tǒng)的熱負(fù)荷為
QLN2=Q1+Q2+Q3=209.561W
2.2.3、液氦、液氮的消耗率
(1)液氦的消耗率
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，液氦的汽化潛熱r=20.8kJ/kg，Q=0.125g/cm3，則每小時(shí)消耗的液氦量為
VLHe=3.6Q/Qr=12.715L/h
(2)液氮的消耗率
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，液氮的汽化潛熱r=199kJ/kg，Q=0.808g/cm3，則每小時(shí)消耗的液氮量為
VLN2=3.6Q/Qr=4.692L/h
3、低溫冷凝泵的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
EAST-NBI綜合測(cè)試臺(tái)是為了對(duì)用于EAST裝置的NBI進(jìn)行性能測(cè)試并進(jìn)行相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)而建的。該綜合測(cè)試臺(tái)與EAST-NBI以1：1尺寸建造，目前已建造完成，并于2011年12月和2012年3月進(jìn)行了兩輪束引出實(shí)驗(yàn)。為了更加形象的表達(dá)該差分式低溫冷凝泵的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程，從DL-7真空計(jì)上截取一幅2012年3月份實(shí)驗(yàn)中主真空室三段壓力隨時(shí)間的變化圖，如圖3所示。橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)具體時(shí)間(每一間格為4min)，縱坐標(biāo)為主真空室三段實(shí)際壓力值。圖3左上角部位的壓力值為主真空室三段實(shí)驗(yàn)當(dāng)前壓力，圖像的水平過(guò)程線為主真空室三段的壓力平衡線，主真空室三段壓力每一次從平衡壓力升高至峰值都是由于離子源進(jìn)行一次進(jìn)氣起弧放電產(chǎn)生的，壓力在具有很大抽速的低溫冷凝泵作用下用很短時(shí)間又從峰值恢復(fù)到平衡壓力。由圖可知，壓力由峰值恢復(fù)到平衡壓力的過(guò)程中，主真空室三段的動(dòng)態(tài)真空壓力一直保持在10-3Pa量級(jí)以下，保證中性束注入實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，完全滿足EAST-NBI對(duì)動(dòng)態(tài)真空壓力的要求。
圖3 NBI實(shí)驗(yàn)時(shí)主真空室壓力變化圖
4、結(jié)論
(1)本設(shè)計(jì)使用真空釬焊的焊接方式，可以防止無(wú)氧銅在焊接過(guò)程中氧化影響焊接效果，可以使焊料均勻分布在液氦低溫管道與低溫冷凝板之間，從而提高低溫冷凝面的抽氣性能；人字形擋板采用黑色油漆噴涂的方式可以提高吸收高溫壁面的輻射熱。
(2)經(jīng)計(jì)算，液氦系統(tǒng)的熱負(fù)荷為9.183W，液氦消耗量為12.715L/h；液氮系統(tǒng)的熱負(fù)荷為209.561W，液氮消耗量為4.692L/h。這為低溫中心進(jìn)行低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。
(3)本文所設(shè)計(jì)的差分式低溫冷凝泵在EASTNBI綜合測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行了大量的真空抽氣實(shí)驗(yàn)，主真空室三段動(dòng)態(tài)真空壓力始終保持在10-3Pa量級(jí)以下，滿足EAST-NBI對(duì)動(dòng)態(tài)真空壓力的要求，這為EAST-NBI實(shí)驗(yàn)研究提供必要的前提條件。
