EAST偏濾器改造對真空抽氣系統的影響
EAST超導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(shí)驗中取得了巨大成功。在本次實(shí)驗取得巨大成功的同時(shí)，偏濾器部件也發(fā)現了問(wèn)題，多處外靶板與 Dome 間縫隙內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(shí)驗中遇到的問(wèn)題，提出了增設石墨瓦結構，形成“V-shape corner”結構的方案。并對新結構對偏濾器抽氣系統流導的影響進(jìn)行了理論計算、數值模擬和優(yōu)化。這對最終方案的確定提供了理論依據。
一、引言
國家九五大科學(xué)工程項目 EAST 超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置的實(shí)驗目標是：針對目前建造托卡馬克核聚變堆尚存在的前沿性物理問(wèn)題，進(jìn)行探索性的實(shí)驗研究，為未來(lái)穩態(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。EAST 裝置能實(shí)現高參數穩態(tài)運行,可開(kāi)展先進(jìn)聚變反應堆的前沿性、探索性研究, 為聚變能的前期應用提供重要的工程和物理基礎。EAST 裝置不僅規模大, 其具有的非圓截面、全超導及主動(dòng)冷卻內部結構等特點(diǎn), 將有利于探索穩態(tài)近堆芯等離子體的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)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 超導托卡馬克裝置 2009 年度春季物理實(shí)驗從1月15日開(kāi)始，于4月26日結束。本輪實(shí)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(lái)物理實(shí)驗的許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展了為期3個(gè)多月的實(shí)驗，在 EAST 團隊成員的科學(xué)運籌，精心準備和共同努力下，獲得了一系列的重要實(shí)驗結果，并得到國內外同行的高度關(guān)注。在本次實(shí)驗取得巨大成功的同時(shí)，偏濾器部件也發(fā)現了問(wèn)題，多處外靶板與Dome 間縫隙內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，對偏濾器偏濾器結構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、偏濾器結構改造
據分析，造成擋板燒蝕、水管熔化的主要原因，來(lái)自偏濾器位形放電時(shí)，部分等離子體通過(guò)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
據國外研究，在偏濾器靶板底端設置“V-shape corner”結構，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(diǎn)的短暫移動(dòng)，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置 35mm寬、15mm 厚的石墨瓦結構，與外靶板底端形成“V-shape corner”結構，以減小等離子體對水管和真空室的影響。新增加的結構，會(huì )造成偏濾器內置低溫泵抽氣系統流阻增大、流導減小。因此，需要對真空抽氣系統的流導進(jìn)行重新計算。
三、偏濾器抽氣系統流導計算
首先對原有結構流導進(jìn)行計算。選取 1/16 圓周為研究對象。偏濾器抽氣系統為從偏濾器外靶板底端到低溫泵的圓弧。內圓弧弧長(cháng)為 α=2πr/16=2×3.14×1.75=0.687(m)。將弧形簡(jiǎn)化為寬度為 a 的矩形。由于 a 為結構中的最小寬度，因此簡(jiǎn)化后的模型計算出來(lái)的流導略小于實(shí)際流導，簡(jiǎn)化是合理的。
根據 W.Klose 和H.Eger兩人所給出的數據，即彎管與軸線(xiàn)長(cháng)度相等、截面相同的直管相比較時(shí)，發(fā)現兩者的流導沒(méi)有顯著(zhù)的差別。當管道長(cháng)度比較長(cháng)時(shí)，彎管的影響可以忽略，彎管的影響可以忽略，計算彎管流導時(shí)，可按等效長(cháng)度的直管計算。
對于 20℃空氣，扁縫形管道的流導計算公式為：
Uf20℃=30Kb ab2/L [L/s]
式中：
Uf20℃---分子流時(shí)扁縫形管道隊 20℃空氣的流導 L/s
a——扁縫的寬度 cm
b——扁縫的高度 cm
L——扁縫管道的長(cháng)度 cm
Kb——修正系數
對五段管道分別進(jìn)行計算得：
“根據 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(mǎn)意的試驗結果。在 1×10 -5 Pa的真空度條件下，對裝置的有效抽速達到 26000（L/s） 。”由此可見(jiàn)，理論計算的結果與實(shí)驗結果基本相符。
對于設置 V-shape corner的新結構，采用同樣的方法進(jìn)行計算，可得：
U新總H2 20℃= 25.1m3/s
內置真空泵的理論最大抽速為 S0 =127.2m3/s
根據 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%
新結構使用后，有效抽速為S新有效=21.0m3/ s = 降為原來(lái)的70.2%。
四、數值模擬
使用 Fluent軟件對抽氣系統進(jìn)行數值模擬。分別對原抽氣系統（圖六）和新抽氣系統（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，新結構流速降低為原結構的77%。
五、優(yōu)化計算
以上計算是基于新結構鋪設率為 100%進(jìn)行計算的。當新結構鋪設率小于 100%時(shí)，所形成的是新結構與原結構的并聯(lián)。由管道流導的并聯(lián)關(guān)系式，得到總流導。再計算出有效抽速。如圖八所示。
圖八：新結構鋪設率與總流導和有效抽速的關(guān)系
六、總結
根據計算結果，如下兩種保護方案可供選擇：
方案一僅保護水管，新結構鋪設率約為 17%，此時(shí)對流導的影響較小，約降低為原來(lái)的94%。
方案二同時(shí)保護水管和真空室，新結構的鋪設率約為 78%，此時(shí)對流導的影響較大，約降低為原來(lái)的 76%。
本文針對目前 EAST 實(shí)驗中遇到的問(wèn)題， 提出了增設石墨瓦結構，形成 “V-shape corner”結構的方案。并對新結構對偏濾器抽氣系統流導的影響進(jìn)行了理論計算、數值模擬和優(yōu)化。
這對最終方案的確定提供了理論依據。
經(jīng)過(guò)最終討論，最終決定采用同時(shí)保護水管和真空室的方案。
