HT—7U超导托卡马克装置低温杜瓦的真空问题.doc

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1、HT-7U超导托卡马克装置低温杜瓦的真空问题王小明辜学茂武玉钱衍达李高云杨道文李生发罗南昌（中国科学院等离子体物理研究所合肥230031）VacuumProbleminCryostatofHT-7USuperconductingTokamakWangXiaoming,GuXuemao,WuYU,QianYandaLiGaoyun,YangDaowen,LiShengfa,LuoNanchang(InstituteofPlasmaPhysics,AcademiaScinica,Hefei,230031)AbstractAppropriatevacuumstatustobeachievedin

2、thecryostatofHT-7USuperconductingTokamakwasconsidered.Heliumleakagefromthecryogenicsystem,whichiskeyfactorforthevacuumperformance,wasestimated.Vacuumadjustment,especiallyleakdetecting,forthecryostatfortestingthesuperconductorperformancewasdescribed.KeywordsHeliumleakage,Vacuumstateanalyze,Cryostat

3、,Fusiondevice.摘要：分析了HT-7U大型全超导托卡马克装置低温杜瓦内的真空状况，对影响真空指标至关重要的磁体主机氦泄漏漏率作了计算，介绍了在试验杜瓦成功实现超导磁体正常运行的真空调试与检漏实践。关键词：氦漏率；真空状况分析；超导磁体低温杜瓦；聚变装置中图分类号：TB774；TB661文献标识码：A文章编号：1002-0322（2002）-HT-7U非圆截面大型全超导托卡马克装置是我国九五国家大科学工程项目。大型超导磁体主机是该磁约束聚变装置的心脏部件之一。置于容积为170立方米低温杜瓦内的磁体主机由4.5K液氦冷却的纵场（TF）磁体、极向场（PF）磁体和80K冷氦气制冷的隔热

4、屏及构成各分系统的低温回路组成，其部件包括约40公里长的超导线（CICC），16个TF线圈盒、数百个绝缘子及各分系统的管材和阀门等。低温杜瓦外侧是阻隔大气环境的真空外壳，内侧为盛有硼化水的夹层的外壁（夹层的内壁为等离子体物理实验的主真空室壁）。为了保证超导磁体主机在超导临界温度（4.50K）下正常运行，在低温杜瓦空间达到所要求的真空水平是最为关键的条件之一。本文给出了超导磁体低温杜瓦内的真空度指标，分析了低温杜瓦内的真空状况，对影响真空指标至关重要的磁体主机氦泄漏漏率作了计算，介绍了在试验杜瓦成功实现模拟超导磁体正常运行的真空与检漏实践。1超导磁体低温杜瓦真空度指标与真空状况分析对于大型绝

5、热低温容器，真空设计指标的基本考虑是以把空间气体的热传导损失减少到最低限度为准则。当容器的真空度小于10-2Pa时[1]，气相气体的传热与辐射传热和固体传热相比，传热量要小得多，其总传热将不随气压而改变。与HT-7U相似的美国的超导托卡马克装置TPX超导磁体低温杜瓦[2]、[3]、[4]采用2套以2200l/s复合型分子泵为主的三级串联式抽气机组，在低温运行时的真空指标定为<1.3×10-3Pa。国际合作的聚变反应堆装置ITER[5]，在超导磁体低温杜瓦低温运行时的真空指标定为<10-4Pa(He)。根据HT-7运行经验，极限真空在低温下为(4-10)×10-4Pa。目前HT-7U超导磁体

6、低温作者简介：王小明（1954），男，安徽省合肥市人，高工，长期从事核聚变领域的真空科学与技术工作。杜瓦设计的真空指标在低温运行时定为<1´10-4Pa。现对超导磁体低温杜瓦达到上述真空指标的真空状况作以下分析。超导磁体低温杜瓦在真空抽气作用的动态条件下，压强随时间变化可由下述方程式描述式中Se为有效抽速；Qdegas、Qleak分别为低温杜瓦内各种材料的总放气率和不同状态的物质对低温杜瓦的总泄漏漏率；V为杜瓦的内体积。对于大型超导磁体杜瓦结构,由于内表面积与空间比过大且内部存在大量的绝缘材料，使得材料的放气量（以水汽为主）在常温状态下占总气载的相当大的部分，放气量使得杜瓦内只能达到软真空

7、水平.如HT-7装置外低温杜瓦真空在常温状态下只能达到8×10-1Pa，此时残余气体分析表明水汽分压约占总气载的百分之九十[6]。常温条件下的动态平衡压强为式中SExter.为外抽机组对杜瓦的有效抽速，Pu为抽气泵所能达到的极限真空，此项可忽略。随着超导磁体进入降温阶段，占主要气载的放气率将逐步降低，使由内部材料放气产生的空间气载降低到超高真空范围.如冷温材料中的水汽饱和蒸汽压在80k温度时为10-19Pa;氮气和氢气在