EAST高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)設(shè)計
EAST 高頻彈丸注入裝置主要用于完成EAST 托卡馬克裝置的加料和邊界局域模(ELM) 實驗研究。注入器主體部分已經(jīng)完成構(gòu)建，為了使系統(tǒng)安全連接到EAST 裝置，需要設(shè)計一套對應(yīng)的真空系統(tǒng)。高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)采用了全新的設(shè)計，在注入器主體上連接三個緩沖室，將推進氣體及時抽走，降低成冰室壓強以此提高成冰質(zhì)量。注入器與EAST 裝置通過兩級差分系統(tǒng)連接，進一步降低裝置壓強至5×10-4 Pa量級，完成與EAST 的安全連接不影響正常放電。
EAST 是世界上第一個全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。自2006 年首次成功放電以來，實驗參數(shù)得到不斷提高。在等離子體高約束運行模式(H-mode)下爆發(fā)的邊界局域模(ELM)會對裝置第一壁造成極大的熱沖擊，降低第一壁材料使用壽命。如何應(yīng)對這種現(xiàn)象已經(jīng)成為聚變界一個棘手的問題。最新的研究表明，高頻彈丸注入技術(shù)是一種行之有效的控制ELM 的手段。參考低頻彈丸注入裝置的設(shè)計，構(gòu)建了一套全新的高頻彈丸注入裝置。新系統(tǒng)的氫/氘彈丸最高注入頻率可達50 Hz，為了滿足新系統(tǒng)對真空度的要求，需要設(shè)計一套真空系統(tǒng)。
1、概述
低頻彈丸注入裝置于2012 年首次投入EAST實驗，能以最高10 Hz 的工作頻率發(fā)射氫/氘彈丸為EAST 裝置加料。為了保證在運行過程中，推進氣體(氦氣)不會大量進入EAST 主真空室中，低頻彈丸注入裝置采用了兩級差分的真空系統(tǒng)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。第一級差分室體積17 L連接一體積355 L 膨脹室，用抽速470 L/s 的羅茲泵機組抽氣；第二級差分室體積17 L 直接連接FF-200 復(fù)合分子泵機組抽氣。在運行過程中，能保證第二級差分真空度維持在10-4 Pa 左右，在這樣的真空環(huán)境下，推進氣體對EAST 主真空的影響可忽略。但是低頻彈丸系統(tǒng)在長時間連續(xù)工作的情況下，第二級差分室真空度會慢慢變差，需要暫停運行一段時間，等真空度恢復(fù)到正常水平，才能繼續(xù)工作。因為大量推進氣體會在第一級差分處積累，不能被及時抽走。
圖1 低頻彈丸注入裝置三維示意圖
高頻彈丸注入裝置與低頻系統(tǒng)基本原理相似，也是利用液氦降溫冷凝氫/ 氘氣體，通過機械擠壓、切割的方式制成彈丸，最終用高壓氦氣加速彈丸通過細長管道打入到EAST 主真空室內(nèi)。高頻彈丸為一直徑1.5 mm，長度1.2 至1.8 mm 可調(diào)的圓柱體，其發(fā)射速度根據(jù)設(shè)定的推進氣體壓強不同，在150 至250 m/s 之間變化。除此之外，高頻系統(tǒng)的最大工作頻率高達50 Hz，發(fā)射每發(fā)彈丸大概需要消耗20-30 mbar·L 的氦氣，這樣大量的氦氣不及時抽走，會影響到EAST 裝置的正常放電。為了消除氦氣的影響，并克服低頻系統(tǒng)存在的問題，借鑒低頻彈丸系統(tǒng)的兩級差分結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上做了一些改進，設(shè)計了這套高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)。
高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)主要由緩沖室，兩級差分室，真空泵組，以及真空測量部件和連接管道等組成。為了確保推進氣體不會進入EAST 主真空室，需要限定了兩級差分室的真空度，即連接EAST 主真空室的條件，詳見表1。采用兩級差分室的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠最大限度的減少進入EAST 主真空室的氣量。真空各部件安裝在支架上，中心與注入器注入管路保持同一水平高度，其結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。新的真空系統(tǒng)將緩沖室移至注入器主體下部，在彈丸成型加速階段起到擴散和抽走多余氦氣的作用。新的緩沖室設(shè)計不但減小了后部兩級差分室的工作負載，還大大提高了彈丸成冰的質(zhì)量和可靠性。
表1 兩級差分室的工作真空度要求
圖2 高頻彈丸注入裝置三維示意圖
2、真空差分系統(tǒng)設(shè)計
2.1、緩沖室設(shè)計
全新的彈丸注入器包括兩套獨立的注入系統(tǒng)，每套系統(tǒng)能夠以25 Hz 的頻率獨立工作發(fā)射彈丸。高頻的特性對系統(tǒng)的可靠性提出了要求，為了提高彈丸的成型質(zhì)量和可靠性，在彈丸成型和加速系統(tǒng)上連接一個緩沖室。緩沖室與彈丸成型和加速系統(tǒng)的連接簡圖，如圖3 所示。圖2 中的真空室1、真空室2 和真空室3 首尾相連，共同組成了緩沖室，見圖4，而真空室4 則代表了真空系統(tǒng)后部的診斷室、和兩級差分室。彈丸加速期間，推進氣體擴散到緩沖室的三個真空室內(nèi)，被真空泵組抽走，減少擠壓成冰室內(nèi)的推進氣體量，從而提高成冰質(zhì)量。
圖3 彈丸成型和加速系統(tǒng)簡圖
一套彈丸加速和成型系統(tǒng)已經(jīng)制造完成，并做了一些基本的臺面測試，得到了一些初步的測試數(shù)據(jù)，其中每發(fā)彈丸造成的氣體載荷分布見表2。由于彈丸注入器正常工作時氣載很大，尤其是緩沖室中的真空室2，因此選用大抽速470 L/s的羅茲泵機組(WAU2001/SV630B)來作為真空室2 的泵組， 選用抽速203 L/s 的羅茲泵機組(WAU1001/SV300B)作為真空室1 的泵組。真空室3 連接擠壓成冰室，主要用于抽除廢冰和廢氣，選用的是抽速16.6 L/s 的無油渦旋真空泵(GWSP10000)。
圖4 緩沖室結(jié)構(gòu)簡圖
由于初步測試時只采用了一套彈丸加速和成型系統(tǒng)，并且初期測試所用的泵組與后續(xù)兩套一并安裝時所用泵組并不一致，需要對緩沖室的體積結(jié)構(gòu)等重新進行設(shè)計，充分考慮兩套系統(tǒng)同時以最大載荷工作的情況。為了能夠最大限度的發(fā)揮真空泵機組的性能，保證將推進氣體盡量地排出，設(shè)計初均假設(shè)羅茲泵機組工作在最大抽速，也就是假定工作壓強為百帕量級，初步假設(shè)為500 Pa。考慮了氣載、壓強、連接管道等因素后，選定三個真空室體積均為21.43 L。真空室1用內(nèi)徑100 mm，長度3.3 m 的管道連接羅茲泵機組；真空室2 用內(nèi)徑150 mm，長度3.3 m 的管道連接羅茲泵機組；真空室3 用普通KF40 接頭(內(nèi)徑約為35 mm)，長1 m 波紋管連接。
表2 單發(fā)彈丸推進氣體載荷分布
根據(jù)前面的假設(shè)，管道中的平均壓強，三個真空室的P D 值均大于0.67 Pa·m，管道中的流態(tài)為粘滯流。根據(jù)氣流狀態(tài)，選擇流導(dǎo)公式(1)進行計算：
代入數(shù)據(jù)，真空室1 管道流導(dǎo)為20303 L/s，真空室2 管道流導(dǎo)為102784 L/s， 真空室3 管道流導(dǎo)為1005 L/s。再根據(jù)有效抽速公式(2)，計算各真空泵的有效抽速：
代入得，真空室1 羅茲泵機組有效抽速201 L/s，真空室2 羅茲泵機組有效抽速467 L/s，真空室3無油渦旋真空泵有效抽速為11.5 L/s。由上面計算得到的有效抽速，并根據(jù)公式(3)計算抽氣平衡時，真空室內(nèi)的壓強：
而氣體載荷又根據(jù)單發(fā)彈丸的氣載(取最大值)乘上頻率，也就是最大頻率50 Hz，可得真空室1 的氣載為3×104 Pa·L/s，真空室2 的氣載為7.5×104 Pa·L/s，真空室3 的氣載為1×104 Pa·L/s。將各數(shù)據(jù)代入，得真空室1 的實際穩(wěn)態(tài)工作壓強為150 Pa，真空室2 的實際穩(wěn)態(tài)工作壓強為161 Pa，真空室3 的實際穩(wěn)態(tài)工作壓強是869 Pa。查看個泵組的工作壓強- 抽速曲線，均能達到最大抽速，而因為管道連接部件的流導(dǎo)非常大，所以實際的工作壓強對上述的計算過程影響非常小，可以直接認為計算結(jié)果與初期的假設(shè)是吻合的。所以說緩沖室的設(shè)計在理論上是可行的，可以滿足設(shè)計要求，降低了推進氣體進入擠壓成冰室的可能，提高了成冰質(zhì)量。
2.2、兩級差分室設(shè)計
為了進一步的降低系統(tǒng)的壓強， 達到與EAST 主真空連接的條件，需要采用兩級差分真空室的結(jié)構(gòu)。兩級差分室的主要作用是進一步的抽除多余的推進氣體氦氣，使第二級差分室的壓強穩(wěn)定在10-4 量級或以下，保證高頻彈丸注入系統(tǒng)在正常運行過程中能夠正常與EAST 主真空連接，而不影響EAST 裝置的正常放電。
兩級差分室在結(jié)構(gòu)上相似，兩個真空室的體積都是約17 L，均采用機械泵前級搭配Turbo-V1001 分子泵抽氣，對氦氣的抽速在870 L/s 左右。第一級差分室：
前面表二中氣體載荷分布數(shù)據(jù)，是在緩沖室均連接機械泵的情況下得到的，而我們重新搭建的系統(tǒng)采用的是大抽速的羅茲泵機組，除此之外，我們還會將診斷室的一個法蘭連接到緩沖室二號羅茲泵機組上。在這樣的情況下，前面提到的單發(fā)彈丸進入到圖3 中真空室4 的氣體載荷應(yīng)該會大大減小。單發(fā)彈丸引入的推進氣體按照30 mbar·L 來記，經(jīng)過模擬計算，其中29 mbar·L的氣體都會被前端的兩套羅茲泵機組和干泵抽走，進入到第一級差分室的氣量大約為1 mbar·L。分子泵直接連接在差分室下部，流導(dǎo)很大，
對泵的抽速影響很小。我們可以認為泵的額定抽速即為有效抽速870 L/s，按照50 Hz 最大頻率計算，氣體載荷為5×103 Pa·L/s，再代入式(3)，計算可得此時的壓強大概為5.74 Pa。分子泵在Pa量級抽速有所下降，我們重新計算，取抽速為600 L/s，再次代入式(3)，得到壓強為8.33 Pa。第二級差分室：
推進氣體在進入第二級差分室之前，需要經(jīng)過一段內(nèi)徑6 mm，長度2 m 的細長管道。根據(jù)平均壓強公式，細管內(nèi)的平均壓強約為4 Pa，PD≈0.24 Pa·m，介于6.65×10-3 Pa·m 和0.67 Pa·m之間，處于粘滯- 分子流。根據(jù)粘滯- 分子流流導(dǎo)公式(4)：
查相關(guān)表格知J 約為3.08，代入式(4)得管道流導(dǎo)為4.02×10-2 L/s，最大氣體流量為Q=U×8=3.21×10-1 Pa.L/s。在根據(jù)公式(3)，得第二級差分室的壓強不會大于3.69×10-4 Pa，小于表2中對第二級差分真空的工作狀態(tài)要求。基本可以忽略高頻彈丸系統(tǒng)推進氣體對EAST 裝置的影響。
2.3、真空測量系統(tǒng)
為了能實時地監(jiān)測各部分真空狀況，保證系統(tǒng)的各部件能夠正常運作，在緩沖室以及兩級差分室上都安裝有測量用規(guī)管。緩沖室正常工作時的壓強較高，大致在百帕量級；而兩級差分室的工作壓強較低，主要是第二級差分室正常運行時的壓強要求保持在10-4 Pa 以下。
除了彈丸注入本身的真空測量點外，真空系統(tǒng)上一共有5 個測量點。在緩沖室的三個真空室上分別安裝三個TRP 280 規(guī)管，在兩級差分室上安裝兩個PKR 251 規(guī)管。系統(tǒng)運行期間，通過讀取規(guī)管示數(shù)來確保各系統(tǒng)都處于正常工作范圍，出現(xiàn)異常時及時采取措施，避免系統(tǒng)損壞。
真空度的讀取和記錄是通過規(guī)管連接到真空計和PLC 實現(xiàn)的。真空計主要是在現(xiàn)場測試時起實時監(jiān)控讀數(shù)的作用；而PLC 則是遠程控制和記錄真空數(shù)據(jù)變化，方便后期查看真空度的歷史曲線，查看系統(tǒng)運行的可靠性。系統(tǒng)上各插板閥和真空泵組均能通過PLC 的方式遠程控制，進行開關(guān)操作，在遇到故障時能及時進行遠程處理。
3、總結(jié)
上述計算結(jié)果表明，前端緩沖室確實能及時地抽走氦氣，并使各泵組工作在最佳狀態(tài)下，降低了氦氣進入擠壓成冰室的可能性，提高了成冰質(zhì)量；且兩級差分真空也進一步地降低系統(tǒng)真空度，起到安全連接EAST 主真空的作用。高頻彈丸注入裝置真空系統(tǒng)的理論設(shè)計已經(jīng)滿足了最初的設(shè)計要求，現(xiàn)已進入生產(chǎn)制造階段，系統(tǒng)最快將于2015 年10 月左右投入使用。未來高頻彈丸注入裝置搭建完成之后，首先會進行系統(tǒng)檢漏和性能測試，在各個頻率下測試發(fā)射彈丸可靠性，測試真空系統(tǒng)是否能按照設(shè)計的要求正常工作，并給出一些初步的實驗結(jié)果。
