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解密国际热核聚变试验堆(ITER)最关键的真空结构

字号+作者:admin 来源:泵阀资讯 2021年10月09日

北京时间7月28日下午,位于法国南部的国际热核聚变试验堆(ITER)正式进入组装阶段。这无疑是人类目前最具野心的核聚变项目,引起了国际上的广泛关注。 从某种意义上来说,ITER就...

北京时间7月28日下午,位于法国南部的国际热核聚变试验堆(ITER)正式进入组装阶段。这无疑是人类目前最具野心的核聚变项目,引起了国际上的广泛关注。
从某种意义上来说,ITER就是一个迄今为止最大、最复杂的高真空系统。可靠的真空是ITER项目成功的关键。下面,就让我们一起来了解一下其中主要的真空结构吧。
图1托卡马克装置示意图
真空室
在聚变时,燃烧等离子体是要被约束在真空室内的。也就是说,真空室是等离子体直接运行的场所,它不仅要为真空室内部构件提供必要的支撑,在正常运行及非正常运行期间,还要承受自身和内部构件的重力、压力以及各种电磁力。
这个真空室由欧韩俄联合制造,设有44个外部接口,可供控制系统对舱内情况进行监控,内部为不锈钢壁面,且帖有一层用于将仓内聚变反应辐射隔离的防辐射“布”。其中4个部件来自韩国、5个部件来自欧洲,突出的端口则来自俄罗斯。
具体来讲,ITER真空室为双层不锈钢结构,基本形状为中空的环形,其大环外径为19.4m,大环高度为11.3m,内部空间高度为10263mm,宽度为5460mm。真空室由9个尺寸一样的扇形单元组成,每个扇形的跨度为40°。其界面呈“D”形。内外壳体厚度均为60mm,双层壳体之间的间隙为300~800mm。
图2ITER真空室整体结构与40°扇区结构
图3真空室内部示意图
真空室内部有基本的室内部件和可置换的部件,包括孔栏、加热天线、包层模块、试验包层模块、偏滤器模块以及诊断模块等。这些部件需要通过容器上的窗口进入容器内部再进行安装。真空室上开有三层窗口,分别为上部窗口、赤道窗口和下部窗口。
事实上,为了使国内的工程设计人员掌握相关的设计与分析技术,为国内的托卡马克装置设计建造积累经验,国内也启动了相关的配套项目,而首先开展的就是真空室的结构分析工作。
真空杜瓦
ITER的真空杜瓦(低温恒温器)是托卡马克真空室和限制超热等离子体的超导磁体周围的“保温瓶”。真空杜瓦由不锈钢制成,重达3850吨,其基座部分(1250吨)是ITER最重的部件。整体来看,真空杜瓦高30米、直径30米,体积达16000m3,可以说是有史以来最大的不锈钢高真空压力室。
真空杜瓦是ITER必不可少的重要组成部分,从上到下主要由顶盖、上环体、下环体和基座这4大部分组成,各部分通过焊接或螺栓连接成一个整体。
图4杜瓦装配图(左)和杜瓦上环体约束模型(右)
图5真空杜瓦实物图
杜瓦除了为系统运行提供稳定的真空环境之外,还要在氦气泄漏以及等离子体破裂等极端情况下,必须保证整个装置的安全。
据悉,当地时间5月28日,ITER的真空杜瓦基座平稳地落位到该装置基坑内的临时支撑上,杜瓦基座吊装工作圆满完成,正是由此开始,拉开了ITER主设备安装的序幕。值得一提的是,这是中核集团牵头的中法联合体在疫情严峻时期“逆行”法国,“核”力取得的重要阶段性成果,其起吊重量和安装精度都打破了中国核能行业大件设备吊装的记录。
屏蔽包层的高温氦检漏
在真空室与第一壁板之间的屏蔽包层,其基本功能是中子屏蔽,对真空室和外部设备起到保护作用。ITER屏蔽包层模块总共440块,中方承担了其中50%的屏蔽块的生产与制作,共计220块。
为了保证屏蔽包层能够安全地发挥作用,需要对每一个屏蔽模块进行一次热态真空室高温氦检漏,这种检漏是科学前沿的研究领域。
ITER热氦检漏系统主要由真空系统和高压系统两部分组成。真空系统用于检漏过程的抽真空和加热,高压系统提供高温高压气体。
这部分真空系统的真空泵系统由分子泵组、前级泵组和粗抽泵(1台1600L/s复合分子泵、1台15L/s前级泵、2台70L/s的粗抽泵)等组成。抽气10h后可以达到真空室要求的工作压力。空载条件下冷态真空度能达到10-6Pa数量级,高温条件下真空度能达到10-5Pa数量级。整个真空室的关键技术指标如下表。真空系统的结构如下图。

图6真空系统结构图
真空泵系统是真空获得的关键设备,在整个热氦检漏系统工作前、工作过程中和工作后,都能对检测系统的真空度进行控制。通过在主泵和前级泵之间串联二级分子泵,可大大提高主泵出气口的气体压力,相当于增加了泵组的压缩级数,提高泵组对气体的压缩比,因而提高了泵组对氦气和氢气分子的排气能力,通过一段时间的排气后,真空室内参与氦气及氢气显著减少,从而提高真空室真空度及降低本底漏率。
其他
值得一提的是,我国还承担了ITER项目超导磁体的研发任务。超导磁体在经过绞缆、穿管、缩管等工艺之后,还需要进行真空检漏试验。
另外,相关材料也用到了真空工艺处理。例如ITER校正场线圈,这是用来补偿磁场误差的,由超导道题绕制而成,而真空压力浸渍(VPI)是校正场线圈制造的最后一步。
当然,限于能力的不足,除了本文提及的部分,相信在ITER设备中还有更多的结构用到了真空的相关技术,还有更多的材料也用到了真空工艺来生产制造。可以说,“真空”的重要性在ITER这样一个国际合作的大科学装置中是不言而喻、不可或缺的。

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