1、引言

　　EAST 托卡馬克是我國第一個(gè)超導(dǎo)磁約束聚變?cè)囼?yàn)裝置，主要用于等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究和探索聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆所涉及的工程探索研究。EAST 裝置的一個(gè)主要物理與工程目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高參數(shù)條件下的等離子體長脈沖放電，這也是實(shí)現(xiàn)未來商業(yè)化穩(wěn)態(tài)運(yùn)行聚變反應(yīng)堆所必須的條件。在長脈沖放電條件下有一個(gè)很重要的問題，就是及時(shí)排除放電室內(nèi)多余的雜質(zhì)氣體，對(duì)于具有偏濾器控制位形的 EAST 裝置，還要重點(diǎn)控制偏濾器區(qū)域高密度的雜質(zhì)中性氣體和多余的放電反應(yīng)氣體，防止這些中性氣體雜質(zhì)返流到等離子體芯部，導(dǎo)致放電參數(shù)降低甚至放電中斷。為此，在偏濾器區(qū)域設(shè)置大抽速真空系統(tǒng)勢(shì)在必行。

　　由于 EAST 裝置結(jié)構(gòu)的限制，在裝置外安裝的各類真空抽氣系統(tǒng)，抽氣效率受到管道流導(dǎo)的限制，抽氣速度不能滿足等離子體放電時(shí)排除氣體負(fù)載的要求，而且裝置內(nèi)的中性氣體粒子的排除能力也不能達(dá)到環(huán)向均勻分布的要求。因此在偏濾器靶板下設(shè)置大抽速低溫冷凝泵，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏濾器位形等離子體放電的必須的選擇。

　　為了給低溫泵提供冷源，EAST 低溫供液系統(tǒng)做了改造，使低溫泵系統(tǒng)有獨(dú)立的液氦、液氮分配閥箱，低溫系統(tǒng)的有效制冷功率也有所提高。

　　參考國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的試驗(yàn)?zāi)Ｊ�，EAST裝置將優(yōu)先采用單零磁面控制位形的放電模式，偏濾器區(qū)域主要位于裝置的下方，基于這種考慮，我們將首套內(nèi)置式低溫泵設(shè)置在裝置下偏濾器外靶板附近。

　　考慮到研制的風(fēng)險(xiǎn)，目前我們僅安裝了一套該冷凝泵系統(tǒng)，并于 2008 年進(jìn)行了性能測(cè)試，2009 年投入到偏濾器物理試驗(yàn)研究。該系統(tǒng)經(jīng)受了深低溫、大溫差變形、裝置電動(dòng)力及振動(dòng)影響的考驗(yàn)，沒有發(fā)生密封泄露現(xiàn)象，并且達(dá)到了預(yù)期的冷凝溫度和所要求的真空抽氣速度，降低了放電試驗(yàn)過程中的雜質(zhì)氣體含量水平，為長脈沖等離子體放電提供了重要保障。

2、內(nèi)置式低溫泵基本設(shè)計(jì)與制造

　　根據(jù)等離子體放電參數(shù)，最初的偏濾器抽氣速度期望值為1.5×10 ⁴L/S。最初，我們?cè)�希望通過安裝連通于偏濾器區(qū)域的外置式低溫泵，提供所需要的排氣能力，但由于所通過的管道較長，抽氣能力受到限制，不能達(dá)到期望值。考慮到 EAST 托卡馬克是由16個(gè)單元體組成，裝置上、下各有 16 個(gè)窗口，我們就評(píng)估了多窗口輸入低溫液體，并在裝置內(nèi)部形成多個(gè)分離的冷凝泵的可行性，但由于窗口及裝置內(nèi)部空間的限制，這個(gè)方案也沒有實(shí)現(xiàn)。最終，確定低溫泵抽氣面為環(huán)形體，在被動(dòng)靶板下環(huán)繞一圈，低溫液氦、液氮的供應(yīng)只占用1個(gè)裝置下窗口。這種設(shè)計(jì)參考了國外的經(jīng)驗(yàn)，可以使空間占用體積最小，同時(shí)由于內(nèi)置式泵位于放電真空室內(nèi)，克服了外置式低溫泵所面臨的流導(dǎo)限制，大大提高了冷凝泵的抽氣效率。根據(jù)等離子體物理實(shí)驗(yàn)的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了4套內(nèi)置式低溫泵系統(tǒng)，但考慮到設(shè)計(jì)與工程風(fēng)險(xiǎn)，2008 年我們僅研制安裝了1套，安裝在裝置優(yōu)先級(jí)較高的下偏濾器被動(dòng)靶板的外側(cè)。

　　該系統(tǒng)由兩大部分組成：1）具有有效抽氣面的環(huán)體泵，2）低溫輸液系統(tǒng)。 環(huán)體泵的抽氣能力就是內(nèi)置式低溫泵的主要抽氣能力，這種抽氣能力主要來自于由液氦冷卻的環(huán)形金屬管表面的冷凝和吸附作用，部分抽氣能力還來自于冷凝面吸附層的二次捕集能力。在 EAST 上，由液氦冷卻的環(huán)形泵吸附表面積約為 1m², 這意味著它對(duì)氘氣的抽除能力約為 7.9×10⁴L/S，對(duì)氫氣的抽速約為 1.1×10⁵L/S，對(duì)水蒸汽的抽速約為 3.7×10⁴L/S，對(duì)二氧化碳的抽速約為 2.4×10⁴L/S。由于EAST 托卡馬克裝置的工作氣體為氘氣和氫氣，對(duì)工作氣體的大抽氣速度，也意味著在內(nèi)置式低溫泵投入運(yùn)行的條件，等離子體放電過程中多余的工作氣體能夠被及時(shí)排除，放電將在新的氣體平衡條件下進(jìn)行。為了兼顧裝置內(nèi)部條件，并最大化內(nèi)置式低溫泵的抽氣能力，我們將環(huán)體泵的位置設(shè)置在大半徑 2115 mm高度為裝置赤道面以下 900 mm處（圖 1）。由于等離子體放電真空室內(nèi)空間的限制，環(huán)體泵的設(shè)計(jì)與安裝均要避免與支持石墨材料的熱沉支撐的干涉，避免與密布于熱沉結(jié)構(gòu)下的冷卻水管的干涉。低溫輸液系統(tǒng)連接了低溫制冷系統(tǒng)和環(huán)體泵，用于輸運(yùn)液氦和液氮, 以冷卻環(huán)體泵的抽氣吸附面和熱輻射保護(hù)屏。由于整個(gè)環(huán)體泵的溫度均要冷卻到 5K 附近，這就對(duì)輸液系統(tǒng)的溫度保持提出了很高的要求，為此，從低溫液體的分配閥箱的設(shè)計(jì)，到閥箱的低溫液體運(yùn)輸管路的熱輻射防護(hù)，再到托卡馬克裝置頸管內(nèi)的輸液管路的設(shè)計(jì)加工，均有良好的熱輻射防護(hù)設(shè)計(jì)。新設(shè)置的低溫液體分配閥箱，能夠同時(shí)供應(yīng)6 套低溫泵用液氦、液氮的需要，但目前僅使用了1套供液接口。對(duì)于這兩個(gè)子系統(tǒng)的安裝流程，在設(shè)計(jì)時(shí)就給予了充分考慮，這使得最終的安裝能夠順利完成。

　　環(huán)體泵實(shí)際上是由8個(gè)單元組合而成，雖然一些單元并不相同，需要獨(dú)立設(shè)計(jì)，但每個(gè)單元均包含以下要素：液氦管道及其支撐結(jié)構(gòu)，液氮管道及由液氮冷卻的內(nèi)、外熱輻射屏，最外圍還有常溫?zé)彷椛淦梁蛦卧獜椥灾�撐。每個(gè)單元均在托卡馬克裝置外組裝完成，然后在裝置真空室內(nèi)分別預(yù)安裝，最后連接單元之間的氦管及氮管，最后8個(gè)單元組合成一個(gè)大環(huán)形的冷凝泵。這種單元化設(shè)計(jì)與安裝可以快速適應(yīng)裝置內(nèi)部部件的調(diào)整或改動(dòng)，使工程進(jìn)度基本不受影響。

　　環(huán)體泵的功能核心零件是一個(gè)由液氦冷卻的環(huán)形管，冷卻的溫度可以達(dá)到 5K，而該氦管的外圍是由液氮冷卻到 80K 的液氮輻射保護(hù)屏，液氮輻射保護(hù)屏的外圍是常溫?zé)彷椛淦�，這種結(jié)構(gòu)可以環(huán)境溫度及熱流對(duì)氦管溫度的影響，使冷凝泵保持良好的冷凝吸附抽氣能力。（ 圖 2 ）為了防止高溫零件對(duì)低溫零件的熱傳導(dǎo)，環(huán)體泵的每個(gè)單元的支撐零件均做了細(xì)致設(shè)計(jì)。對(duì)于液氦管道的支撐，采用了彈簧支撐的方式，這可以大大延長 80K溫度的零件對(duì) 5K溫度零件的熱傳導(dǎo)距離，而液氮輻射保護(hù)屏與常溫輻射屏之間的支撐，采用了接觸面很小而熱阻較大的陶瓷材料。單元的最外圍支撐采用了板簧結(jié)構(gòu)，這既加長了熱傳導(dǎo)的距離，也使單元體的安裝和應(yīng)用更具有環(huán)境適應(yīng)性。