EAST超導托卡馬克裝置真空抽氣系統
真空抽氣系統在EAST 全超導托卡馬克裝置中是非常重要的組成部分,它主要由內真空室抽氣系統和外真空室抽氣系統組成。內真空室抽氣系統主要由主抽系統、偏濾器抽氣系統、低雜波抽氣系統組成,主要為等離子體的穩定運行提供清潔的超高真空環境;外真空室抽氣系統主要由主抽系統、電流引線段抽氣系統及低溫閥箱抽氣系統組成,主要為超導磁體的正常運行提供真空絕熱條件。EAST 真空抽氣系統經過三輪物理實驗的不斷改造和完善,目前基本滿足了等離子體物理實驗的需要。
以開發聚變能,為人類解決干凈、豐富能源為研究目標的可控熱核聚變,是當代自然科學中一項具有戰略意義的前沿科學。磁約束聚變是受控熱核反應研究的主要途徑之一,以實現氘氚聚變能的和平利用為目的,并將實現氘氚等離子體的自持燃燒及將這種燃燒持續下去作為實現聚變能的研究途徑。托卡馬克裝置是目前主要的磁約束裝置之一,其基本原理是在一個超高真空環形真空室中,充入原料氣體,如D、T,并擊穿形成等離子體,采用強磁場將等離子體約束起來,加熱等離子體并實現聚變反應。
為了獲得高品質的等離子體,必須降低等離子體中的雜質。而在即將進行的準穩態高參數等離子體運行的全超導托卡馬克裝置中,如EAST、ITER,除了完成雜質限制外,還需要解決真空室里的氫同位素的滯留。為了減低裝置內雜質和氫水平,需要采用大抽速抽氣系統進行抽氣,并利用壁處理技術來獲得良好的真空環境和器壁狀態。
實驗的、先進的非圓截面的EAST 超導托卡馬克核聚變實驗裝置是國家九五重大科學工程之一,也是世界上第一個具有ITER 相似結構的全超導托卡馬克。EAST 主要的研究目標主要是包括先進的準穩態運行模式下相關物理,和為未來聚變反應堆———全超導托卡馬克裝置提供技術基礎。在2006 年,完成了EAST 裝置建設,并成功進行了工程調試及等離子體實驗運行,獲得了高溫等離子體放電,并成功實現大拉長偏濾器位型放電。真空系統在整個EAST 裝置中是非常重要的組成部分,外真空室為低溫超導提供絕緣環境,內真空室為高溫的等離子體聚變提供了清潔環境。隨著等離子體物理實驗的進行,EAST 的真空抽氣系統也在不斷的改造和完善,為EAST 等離子體放電提供了良好的真空環境和器壁狀態,滿足等離子體放電物理實驗的需要。本文主要介紹了當前EAST 裝置的真空抽氣系統現狀及其運行情況。
1、EAST 真空室及其基本要求
EAST 真空室主要由內真空室、外真空室、低溫閥箱真空室三個相互獨立部分組成。內真空室是由16 個D 型截面的扇形全硬段焊接而成,最大能夠承受13 個大氣壓差,因而能夠與其它真空室分開獨立運行。主體材料為316L 不銹鋼,面向等離子體的第一壁為表面鍍有約100um SiC 涂層的GBST1308 (B 1% 、Si2.5%、Ti 7.5% 、C 89%)摻雜石墨材料,體積約40 m3(含窗口管道),內表面積約162 m2 (包括窗口管道,未考慮石墨)。
外真空室主要包括裝置主機部分和電流引線段真空室。主機部分包含超導線圈和內外冷屏等復雜的低溫系統部件,體積約160 m3。電流引線段是由兩個電流引線罐和傳輸線部分組成,體積約22 m3。
不同的真空室有著不同的真空要求,內真空室主要為等離子體的穩定運行提供清潔的超高真空環境,極限真空度需要高于2×10- 5 Pa。外真空室主要為超導磁體的正常運行提供真空絕熱條件,其設計指標要求在室溫下真空度高于0.1 Pa,在超導態下真空度高于5×10- 4 Pa。電流引線罐和傳輸線真空度需要高于5×10- 4 Pa。
4、總結
EAST 超導托卡馬克裝置在2007 年通過國家驗收后,其真空抽氣系統在實驗過程的不斷改造和完善,目前EAST 裝置內真空室極限真空為3.1×10- 6 Pa,總的漏放率為2.5×10- 4 Pa·m 3/s;外真空室真空度達到1.9×10- 4 Pa。實驗表明,EAST真空抽氣系統的性能已完全滿足了裝置的抽空檢漏、烘烤、GDC 和硼化以及等離子體運行等抽氣要求,為裝置的高等離子體參數、先進偏濾器位形的實現提供了良好的技術支持。