CFETR堆芯真空室抽气系统的初步设计

根据中国聚变工程实验堆(CFETR)堆芯真空室的尺寸、偏滤器工作气压及抽气要求,模拟计算出低温泵在偏滤器口对燃料粒子的有效抽速约43 m³/s,运用粒子平衡法计算出堆芯真空抽气所需的低温泵的数量,并验证了氦灰抽除的可行性和分析了低温泵对氚滞留的情况。通过计算堆芯真空室抽极限真空所需要的抽速和前级抽气系统的平均有效抽速,初步设计了维持泵的数量和预抽气的前级泵组。CFETR堆芯真空抽气的初步设计为后续真空系统的工程设计及建造提供了理论依据。     

EAST超导托卡马克装置真空抽气系统

真空系统在EAST全超导托卡马克装置中是非常重要的组成部分,它主要由内真空室抽气系统和外真空室抽气系统组成。内真空室抽气系统主要由主抽系统、偏滤器抽气系统、低杂波抽气系统组成,主要为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境;外真空室抽气系统主要由主抽系统、电流引线段抽气系统及低温阀箱抽气系统组成,主要为超导磁体的正常运行提供真空绝热条件。EAST真空抽气系统经过三轮物理实验的不断改造和完善,目前基本满足了等离子体物理实验的需要。     

EAST装置等离子体放电真空室真空泄漏研究

真空系统是EAST全超导托卡马克装置安全稳定运行的基础保障系统,真空泄漏会影响等离子体放电并对真空设备造成严重的损坏。随着EAST逐步地升级与改造,真空系统变得更加复杂,同时设备逐渐老化,导致泄漏的风险逐年增大。介绍了EAST内真空抽气系统、真空测量站及漏率实时监测系统。根据真空室压力变化数据,采用静态升压法分析了内真空室漏放率,计算出内真空室在等离子体放电前整体漏放率约为2.2×10^-4 Pa·m³/s。基于历年发生泄漏故障时的压力和残气成分数据,对EAST装置内真空室在不同运行阶段的不同类型泄漏进行了分析。研究发现,发生的泄漏位置不同、泄漏介质不同、器壁条件不同,在残气成分特征上表现差异较大。根据泄漏的特点,采取了不同的泄漏处理方式。研究结果可为及时准确地判断和处理EAST及未来聚变堆真空室的泄漏提供参考。     

EAST装置中新型吸附剂泵（NEG）抽速标定研究

粒子排出是控制燃料粒子再循环、提升等离子体性能的关键因素之一。因此研究了新型吸附剂泵（NEG）在粒子排出技术中的潜在应用。NEG泵基于ZAO新型合金材料制成,对氢及其同位素抽速大、容量高,安装、运行、维护简单,兼容等离子体环境,适用于偏滤器区域的超高热流和复杂的空间结构。在EAST托卡马克装置安装4套HV800模组,开展了定期的抽速标定、再生研究以评估其周期性能变化。EAST真空室壁表面积较大,金属壁放气、杂质气体影响NEG泵抽速计算。通过计算EAST整体漏放率与氢及其同位素放气率,利用计算机模拟抽气过程,提出了一种用于修正NEG泵抽速的方法。研究结果表明在偏滤器区域工作压力下,对氘平均抽速可达1 200 L/s。     

新型吸气剂泵真空测试系统的搭建与实验研究

烧结型非蒸散吸气剂泵HV800(意大利SAES公司生产)具有抽速大、抽气容量高、安装维护简单等优点,可能适用于EAST托卡马克偏滤器抽气,提高该区域粒子排出能力。本文搭建了一套极限真空5.1×10^-7Pa、具备抽速定量标定的真空测试系统,对HV800开展了对氘气抽速的标定实验。研究结果表明在偏滤器工作气压下,平均抽速可达240 L/s。经评估HV800应用于EAST的初步方案,偏滤器区域会增加5×10⁴L/s抽速,并可连续运行20 h以上,是有效提高EAST偏滤器粒子排出能力的可行选择。     

新型吸气剂泵真空测试系统的搭建与实验研究北大核心CSCD

烧结型非蒸散吸气剂泵HV800(意大利SAES公司生产)具有抽速大、抽气容量高、安装维护简单等优点,可能适用于EAST托卡马克偏滤器抽气,提高该区域粒子排出能力。本文搭建了一套极限真空5. 1×10-7Pa、具备抽速定量标定的真空测试系统,对HV800开展了对氘气抽速的标定实验。研究结果表明在偏滤器工作气压下,平均抽速可达240 L/s。经评估HV800应用于EAST的初步方案,偏滤器区域会增加5×104L/s抽速,并可连续运行20 h以上,是有效提高EAST偏滤器粒子排出能力的可行选择。     

NEG泵抽气性能仿真模拟与测试系统设计

烧结型非蒸散吸气剂(NEG)泵HV400具有对氢及氢同位素有很高的亲和力,即使室温状态下也能发生吸附效应。为了适用于EAST托卡马克中性束注入器工作条件下稳定抽气,针对HV400的抽气性能开展了模拟仿真和实验研究。采用Molflow软件仿真分析了工作状态下不同进气量的压力分布规律与抽气性能,得到了系统平衡压力与进气量以及抽速随着平衡压力而变化的特性曲线,发现三种气体在10^-3～10^-2 Pa时抽速有微小起伏,表明HV400对H₂、CO₂和N₂抽气性能稳定,评估结果与实际抽速相比误差分别为1.95%、3.13%和2.09%,均在合理误差范围内。基于标准化流量计法完成了NEG泵抽速测试系统设计与平台搭建,并进行了抽速性能测试实验,实验结果与仿真模拟都验证了系统设计的可行性,且在10^-3 Pa量级下抽氢效果最好,为NEG泵在中性束注入器的真空系统设计提供了理论依据和技术支持。     

高分辨四极质谱计在HL-2A装置上的应用

将具有分辨氦(He)和氘(D2)能力的高分辨四极质谱计安装到HL-2A托卡马克装置上,同时送入氦气和氘气,得到了质谱计可分辨的最小He+/D2+峰值比.分别对真空室在辉光放电清洗前后、不同等离子体放电次数的氢同位素和氦进行测量,观察到四种工况下质谱峰m/q=4的主要成分为D2+,He+只在辉光放电清洗中作为工作气体引入.向真空室送入氘气后,比较了由分子泵和低温泵抽气的质谱情况.分压强的测量结果表明低温泵对氘气的抽速大于分子泵约18％.实验结果初步验证了高分辨四极质谱计应用于托卡马克装置可靠真空检漏和残余气体成分精确分析的可行性,并为托卡马克装置抽气泵的选型提供了依据.     

中国环流三号（HL-3）壁处理系统研制

托卡马克装置壁处理系统对获得高真空、洁净的器壁条件至关重要。介绍了中国环流三号(HL-3)装置真空系统中的壁处理各子系统设计及研制概况。分析了壁处理系统调试运行过程和特点,设计了烘烤系统和直流辉光清洗系统的运行方案。分别对烘烤系统、直流辉光清洗系统以及射频辅助直流辉光放电系统的首次运行结果进行了讨论。通过应用壁处理系统,配合真空抽气系统,HL-3装置真空系统运行达到预期目标,初始放电前装置最小压力达到2.4×10^-6 Pa。     

基于4 K制冷机的低温泵抽气单元性能分析

中性束注入实验单元系统调试和小尺寸样机验证测试需要真空环境支持,针对实验气体负载性质与真空要求,探索研制外置式制冷机低温泵。设计了一种基于单台4 K制冷机的低温泵并开展抽气单元性能分析,采用ANSYS热分析方法研究抽气单元热学性能,得到了不同气体热负载下的温度分布,结果表明,抽气面温度处于5 K左右,能够有效抽除H₂、He等难凝性气体。采用MOLFLOW对连接抽速测试系统的低温泵进行了气体粒子运动模拟,验证了抽气单元设计的合理性,并模拟得到气体捕获系数为0.409;探究了气体负载对抽气性能的影响,结果表明,受温升影响,泵的抽速波动较小,抽气性能良好。研究方法与结果为实验用制冷机低温泵的研制提供了有益参考。     

活性炭的预处理对低温泵工作性能的影响

低温泵是利用低温吸附而达到获取真空的装置。与其他真空获取设备相比,其具有无油、低振动等优势。活性炭是低温泵常用的一种吸附剂,其对低温泵的工作性能起着关键性的作用。根据真空度的需求,一般要求低温泵对氢的抽速较大。这就需要适合于氢的吸附的活性炭。椰壳活性炭的孔隙大小对氢的吸附比较适合。本文首先对活性炭进行了预处理,用扫描电子显微镜和低温吸附仪对其结构和吸附性能进行了表征,并将其用于低温泵的吸附镇,发现安装了经过处理活性炭的低温泵其抽气速率和极限真空都有一定的提高。     

HL-2A抽气偏滤器系统方案

HL-2A抽气偏滤器系统由原ASDEX的19个钛球升华器和一套特殊结构的低温泵模件组成。低温泵对H2的效抽速约为5m^3S^-1。     

低温抽气──工艺和应用

低温抽气是在温度很低的表面上冷凝气体的过程,现在已证明这是在自由分子流范围内获得最清洁真空的方法之一。它能消除油扩散抽气系统存在的污染的危险性并建立一个很安全的环境。其它固有的特点包括:对所有的可冷凝气体都有很大的抽速,真空室的开始粗抽和低温泵的定期再生仅需要粗抽泵。大部分低温泵可以用任何角度安装,并能耐大气偶然漏入。 为了适应空间模拟方面应用需要建立极清洁的真空环境而研制了低温泵。作为初期研究成果,低温泵已经广泛地用于要求清洁表面和工作可靠的薄膜溅射和蒸发工艺,半导体、光学镀膜和装饰镀膜。 低温泵的主…     

一种基于CF400接口分子泵抽速测试装置

针对国产化大抽速分子泵测试需求,研制出基于CF400接口分子泵抽速测试装置。采用量程为10~10^-9 Pam³/s的复合型标准气体流量计提供可变的标准流量,仅用流量法实现了测试罩内气体压力处于10^-1~10^-7 Pa范围的抽速测试,而传统测试方法采用标准流导法和流量法相结合实现该范围的测试;装置集成了在线真空校准功能,用磁悬浮转子真空计作为参考标准,实现在10^-1~10^-4 Pa范围内对测试罩内气体压力的直接测量及副参考标准电离真空计的在线校准。研制的装置与原有测试方法相比较优点主要为:采用一种方法实现了分子泵抽速测试;在线校准技术解决了原有测量过程电离真空计灵敏度系数发生变化引起测量结果出现的较大偏差;实现对不同气体抽速的直接测量,避免原方法只能给出等效氮气测试结果的不足。实验结果证明,装置对分子泵抽速的测试范围为3000~5000 L/s,测量结果的合成标准不确定度为2.2%~4.4%。     

HL-2A装置器壁处理质谱分析

为了对HL-2A装置升级改造后的器壁处理效果展开分析，使用四极质谱计对HL-2A装置壁处理过程中或壁处理前后的残余气体进行了质谱测量。利用粒子平衡方程和质谱图变化分析了直流辉光放电清洗过程中的气体成分变化。研究了HL-2A装置壁处理的性能并优化了He+D₂-GDC的氦氘比例参数。结果表明：HL-2A装置真空室烘烤除气后，残余气体中H₂O所占百分比由烘烤前的92%降至56%，真空室真空度达到2.2×10^-5Pa；在不同阶段利用H₂-GDC、He-GDC、He+D₂-GDC进行壁处理消除了真空室内部件升级改造对壁处理造成的不利影响，保障了HL-2A装置等离子体放电实验的开展。     

HL-2M内置式低温泵基于DSMC方法的抽速计算

作为托克马克装置HL-2M的大型低温泵,必须确保其具有足够的抽速和较好的抽气性能。通过直接模拟蒙特卡洛方法的研究表明,HL-2M内置式低温泵在高真空分子流条件下的对H2的抽速为51.29 m~3/s,对He的抽速为24.94m~3/s,对D_2的抽速为38.04m~3/s;裸泵与带有偏滤器结构的抽速对比表明,偏滤器的结构使得低温泵的抽速下降很多,应该在允许的条件下,进一步优化偏滤器的结构;通过对粘滞系数的变化得知,真空泵的抽速受粘滞系数的变化影响较大;而对整个抽气过程的动态评估结果表明,低温真空泵具有较好的响应时间,能够满足实验的需求。     

聚变装置中的真空问题

本文介绍聚变实验装置——托卡马克装置的真空系统及在设计中考虑的若干问题。包括真空室器壁材料的选择、表面气体解吸率、为降低离子轰击感生解吸率的放电清洗方法;抽气系统泵组、密封结构、与就地钛层蒸镀方法等。文中着重指出,高能中性束注入所需要的大抽速低温抽气设备,及在装置中安排就地表面分析与诊断设备的重要性。     

CFETR内真空室4.5 K大抽速低温冷凝泵的设计

及时抽除进入内真空室的中性粒子,达到等离子放电所需的真空度,对于维持中国聚变工程实验堆(CFETR)的稳定运行至关重要。本文针对CFETR内真空室粒子负载和抽气性能要求,设计了一种实验堆专用4.5 K大抽速低温冷凝泵。通过计算冷凝泵在偏滤器开口处的有效抽速,确定了冷凝面积。通过对低温板和热屏蔽罩稳态运行时的热负荷计算,模拟了低温板表面的温度场分布,验证了所设计冷凝泵的可行性。最后根据内真空室的抽气特性,确立了低温冷凝泵机组的总体布局和运行方案。4.5 K大抽速低温冷凝泵的设计为后续实验堆的研发设计提供了理论依据和技术支持。     

便携式分压力质谱计校准装置的性能测试研究

文章对新研制的便携式分压力质谱计校准装置的部分性能进行了测试。采用参考电离真空计测量了装置的极限真空度;对于流导值在10^-2 m³/s的圆孔型抽气流导元件,通过精确测量其直径和厚度的尺寸,采用公式计算得到分子流条件下的流导值;对于孔径在微米量级的进气流导元件,采用定容衰减压力的方法通过实验测量确定其流导值;采用同一真空计分别测量抽气流导元件两端的气体压力获得返流比。测试研究结果表明：装置的极限真空度为4.8×10^-7 Pa,抽气流导元件对N2的流导值为1.37×10^-2 m³/s,对N₂的返流比为0.193,两个进气流导元件对N₂的流导值分别为3.81×10^-6 m³/s、4.50×10^-8 m³/s,综合分析可得装置对N₂的校准范围为(4×10^-1～5×10^-6)Pa。     

基于M-C方法模拟分析NBI真空压力分布的影响因素

中性束注入装置(Neutral Beam Injector,NBI)是产生高能中性粒子束用以加热托卡马克等离子体的装置.NBI真空压力分布是影响中性束传输效率特别是再电离损失的关键因素之一.本文研究分析了HT-7托卡马克NBI实验装置的工作原理和结构特点,利用Monte-Carlo方法建立NBI实验装置主真空室及飘移管道内分子运动及碰撞的相关模型,并进行编程实现对NBI实验装置真空压力分布模拟计算.模拟计算和实验结果表明:主真空室低温冷凝泵抽速为4×105L/s时,主真空室压力在脉冲充气过程中维持在10-3Pa量级;飘移管道低温冷凝泵抽速为4×104 L/s时,飘移管道压力维持在10-4Pa量级.文章的结论为中性束传输过程中再电离损失的研究提供了理论依据.