EAST偏濾器改造對真空抽氣系統(tǒng)的影響
EAST超導(dǎo)托卡馬克試驗裝置是國家九五大科學(xué)工程項目，在 2009 年度春季物理實驗中取得了巨大成功。在本次實驗取得巨大成功的同時，偏濾器部件也發(fā)現(xiàn)了問題，多處外靶板與 Dome 間縫隙內(nèi)擋板熔化被高能粒子擊穿，部分擋板后水管被燒壞。本文針對目前EAST實驗中遇到的問題，提出了增設(shè)石墨瓦結(jié)構(gòu)，形成“V-shape corner”結(jié)構(gòu)的方案。并對新結(jié)構(gòu)對偏濾器抽氣系統(tǒng)流導(dǎo)的影響進(jìn)行了理論計算、數(shù)值模擬和優(yōu)化。這對最終方案的確定提供了理論依據(jù)。
一、引言
國家九五大科學(xué)工程項目 EAST 超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置的實驗?zāi)繕?biāo)是：針對目前建造托卡馬克核聚變堆尚存在的前沿性物理問題，進(jìn)行探索性的實驗研究，為未來穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)商業(yè)聚變堆提供物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。EAST 裝置能實現(xiàn)高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運行,可開展先進(jìn)聚變反應(yīng)堆的前沿性、探索性研究, 為聚變能的前期應(yīng)用提供重要的工程和物理基礎(chǔ)。EAST 裝置不僅規(guī)模大, 其具有的非圓截面、全超導(dǎo)及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特點, 將有利于探索穩(wěn)態(tài)近堆芯等離子體的科學(xué)和技術(shù)問題。
EAST 偏濾器研究是我國第一次進(jìn)行偏濾器的工程研究、設(shè)計和加工制造。偏濾器研究是目前核聚變研究的難題之一，它涉及到物理學(xué)、材料科學(xué)、先進(jìn)制造工藝學(xué)、熱工水力學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)、真空技術(shù)、低溫技術(shù)等方面。
EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置 2009 年度春季物理實驗從1月15日開始，于4月26日結(jié)束。本輪實驗主要圍繞托卡馬克物理前沿研究領(lǐng)域，特別是針對 ITER 未來物理實驗的許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題開展了為期3個多月的實驗，在 EAST 團(tuán)隊成員的科學(xué)運籌，精心準(zhǔn)備和共同努力下，獲得了一系列的重要實驗結(jié)果，并得到國內(nèi)外同行的高度關(guān)注。在本次實驗取得巨大成功的同時，偏濾器部件也發(fā)現(xiàn)了問題，多處外靶板與Dome 間縫隙內(nèi)擋板熔化被高能粒子擊穿，部分擋板后水管被燒壞（圖一）。因此，對偏濾器偏濾器結(jié)構(gòu)的改造是目前的重要課題。
圖一：擋板熔化被高能粒子擊穿，部分擋板后水管被燒壞
二、偏濾器結(jié)構(gòu)改造
據(jù)分析，造成擋板燒蝕、水管熔化的主要原因，來自偏濾器位形放電時，部分等離子體通過外靶板和 dome 板之間的縫隙對擋板和水管照成轟擊。 （圖二）
圖二：EAST偏濾器放電位型
據(jù)國外研究，在偏濾器靶板底端設(shè)置“V-shape corner”結(jié)構(gòu)，可以有效的減少等離子體對下部管道和真空室的輻射影響，允許偏濾器打擊點的短暫移動，提高偏濾器的靈活性。在ITER（圖三） 、JT-60SA（圖四）等大型托卡馬克裝置中， “V-shape corner”都被采用。
在如圖五所示，在偏濾器外靶板底端設(shè)置 35mm寬、15mm 厚的石墨瓦結(jié)構(gòu)，與外靶板底端形成“V-shape corner”結(jié)構(gòu)，以減小等離子體對水管和真空室的影響。新增加的結(jié)構(gòu)，會造成偏濾器內(nèi)置低溫泵抽氣系統(tǒng)流阻增大、流導(dǎo)減小。因此，需要對真空抽氣系統(tǒng)的流導(dǎo)進(jìn)行重新計算。
三、偏濾器抽氣系統(tǒng)流導(dǎo)計算
首先對原有結(jié)構(gòu)流導(dǎo)進(jìn)行計算。選取 1/16 圓周為研究對象。偏濾器抽氣系統(tǒng)為從偏濾器外靶板底端到低溫泵的圓弧。內(nèi)圓弧弧長為 α=2πr/16=2×3.14×1.75=0.687(m)。將弧形簡化為寬度為 a 的矩形。由于 a 為結(jié)構(gòu)中的最小寬度，因此簡化后的模型計算出來的流導(dǎo)略小于實際流導(dǎo)，簡化是合理的。
根據(jù) W.Klose 和H.Eger兩人所給出的數(shù)據(jù)，即彎管與軸線長度相等、截面相同的直管相比較時，發(fā)現(xiàn)兩者的流導(dǎo)沒有顯著的差別。當(dāng)管道長度比較長時，彎管的影響可以忽略，彎管的影響可以忽略，計算彎管流導(dǎo)時，可按等效長度的直管計算。
對于 20℃空氣，扁縫形管道的流導(dǎo)計算公式為：
Uf20℃=30Kb ab2/L [L/s]
式中：
Uf20℃---分子流時扁縫形管道隊 20℃空氣的流導(dǎo) L/s
a——扁縫的寬度 cm
b——扁縫的高度 cm
L——扁縫管道的長度 cm
Kb——修正系數(shù)
對五段管道分別進(jìn)行計算得：
“根據(jù) 2008年 8月7日~8日、8 月11 日~12日進(jìn)行的測試情況，首套低溫泵獲得了令人滿意的試驗結(jié)果。在 1×10 -5 Pa的真空度條件下，對裝置的有效抽速達(dá)到 26000（L/s） 。”由此可見，理論計算的結(jié)果與實驗結(jié)果基本相符。
對于設(shè)置 V-shape corner的新結(jié)構(gòu)，采用同樣的方法進(jìn)行計算，可得：
U新總H2 20℃= 25.1m3/s
內(nèi)置真空泵的理論最大抽速為 S0 =127.2m3/s
根據(jù) S有效=U·S0/U+S0可計算出低溫泵的有效抽速為S新有效=21.0m3/s
S新有效/S原有效=21.0/29.0=70.2%
新結(jié)構(gòu)使用后，有效抽速為S新有效=21.0m3/ s = 降為原來的70.2%。
四、數(shù)值模擬
使用 Fluent軟件對抽氣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。分別對原抽氣系統(tǒng)（圖六）和新抽氣系統(tǒng)（圖七）建立有限元模型。計算比較其流速的變化。經(jīng)模擬計算，新結(jié)構(gòu)流速降低為原結(jié)構(gòu)的77%。
五、優(yōu)化計算
以上計算是基于新結(jié)構(gòu)鋪設(shè)率為 100%進(jìn)行計算的。當(dāng)新結(jié)構(gòu)鋪設(shè)率小于 100%時，所形成的是新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的并聯(lián)。由管道流導(dǎo)的并聯(lián)關(guān)系式，得到總流導(dǎo)。再計算出有效抽速。如圖八所示。
圖八：新結(jié)構(gòu)鋪設(shè)率與總流導(dǎo)和有效抽速的關(guān)系
六、總結(jié)
根據(jù)計算結(jié)果，如下兩種保護(hù)方案可供選擇：
方案一僅保護(hù)水管，新結(jié)構(gòu)鋪設(shè)率約為 17%，此時對流導(dǎo)的影響較小，約降低為原來的94%。
方案二同時保護(hù)水管和真空室，新結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)率約為 78%，此時對流導(dǎo)的影響較大，約降低為原來的 76%。
本文針對目前 EAST 實驗中遇到的問題， 提出了增設(shè)石墨瓦結(jié)構(gòu)，形成 “V-shape corner”結(jié)構(gòu)的方案。并對新結(jié)構(gòu)對偏濾器抽氣系統(tǒng)流導(dǎo)的影響進(jìn)行了理論計算、數(shù)值模擬和優(yōu)化。
這對最終方案的確定提供了理論依據(jù)。
經(jīng)過最終討論，最終決定采用同時保護(hù)水管和真空室的方案。
