HL-2A托卡馬克真空烘烤除氣性能研究
120 ℃過(guò)熱水循環(huán)系統對HL-2A 主機真空室進(jìn)行烘烤除氣，溫升梯度為±1.5 ℃ ，持續時(shí)間302 h。烘烤過(guò)程包含兩個(gè)恒溫階段，90 ℃熱平衡后真空度達到4.8×10-4 Pa，120 ℃熱平衡后真空度達到2.3×10-4 Pa。真空室經(jīng)過(guò)烘烤除氣后真空度為2.2×10-5 Pa。結合實(shí)驗數據，通過(guò)擬合函數建立數學(xué)模型對真空度變化規律進(jìn)行趨勢分析，驗證了過(guò)熱水烘烤除氣在HL-2A 裝置真空系統運行中的合理性和重要性，為300 ℃以上高溫烘烤除氣方案的制定提供依據。
HL-2A 托卡馬克是先進(jìn)的大型受控核聚變實(shí)驗裝置，裝置主機由真空室和線(xiàn)圈磁體組成，D型結構的真空室(26 m3)是主機的關(guān)鍵部件。等離子體放電的真空環(huán)境要求達到10-5 Pa 量級，由于真空室出氣速率與器壁的氣體含量和溫度相關(guān)，在冷態(tài)除氣無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)需要對真空室器壁及其內部構件進(jìn)行烘烤，以便于附著(zhù)在真空室內壁的水汽、碳氫化合物以及雜質(zhì)解溶、解吸而游離出�？紤]到真空室溫度的均勻性、可控性和熱容量，設計了最高130 ℃(避免130 ℃以上溫度造成真空室內部構件因熱膨脹引起泄露)過(guò)熱水循環(huán)系統，達到對真空室器壁升溫的目的。該系統為一種基于電加熱的閉合循環(huán)回路，是烘烤除氣在托卡馬克真空系統上的技術(shù)應用。
HL-2A 主機真空系統主要由真空室及抽氣機組組成。如圖1(圖中顯示出1/4 部分)所示，真空抽氣系統為分子泵、羅茨泵和機械泵串接的三級抽氣機組，真空室上均勻分布的8 個(gè)上、下斜窗口為抽氣機組接口。主抽氣管道由準350 mm的導管、準400 mm 的角度調節管和直角彎管三段組成，等效分子流通導分別為2.4 m3·s-1(上斜口)、2.6 m3·s-1(下斜口)。F-400 型分子泵對真空室的有效抽速為1.4 m3·s-1(上抽氣口)、1.6 m3·s-1(下抽氣口)。前級抽氣由三套機組并聯(lián)構成，其中一套由一組ZJB-600 羅茨真空泵和2X-70 旋片式機械泵串聯(lián)，以提供裝置真空室從大氣壓開(kāi)始的大抽速，另兩套由F-150 渦輪分子泵與2X-30 旋片式機械泵串聯(lián)組成。
圖1 HL-2A 真空室主抽氣系統(1/4)
1、真空烘烤模式
真空室器壁溫度提升依賴(lài)于過(guò)熱水烘烤系統，綜合考慮真空室的烘烤溫度和熱應力許用值要求，50 m3/h 流量的烘烤介質(zhì)在200 kW 加熱功率下流經(jīng)HL-2A 真空室及其內部構件，將熱量傳遞到器壁和附件。
烘烤除氣歷經(jīng)升溫、恒溫和降溫三個(gè)階段。在升溫階段，加熱器按設定的1.5 ℃/h 溫升梯度對烘烤介質(zhì)循環(huán)加熱，經(jīng)過(guò)約40 h 后，介質(zhì)被加熱到90 ℃，系統維持此溫度運行60 h 后調節相應閥門(mén)斷開(kāi)真空室附件，真空室壁面繼續在1.5 ℃/h溫升梯度下升溫至120 ℃后進(jìn)入流量為30 m3/h的二次恒溫階段，持續時(shí)間120 h。恒溫結束后器壁按1.5 ℃/h 梯度降溫，溫度降至50 ℃左右時(shí)完成一次烘烤運行。
2、真空室烘烤除氣結果
真空室經(jīng)過(guò)302 h 不間斷烘烤除氣，其壓力最終被抽至2.23×10-5 Pa高真空度，為等離子體放電創(chuàng )造了一個(gè)良好的真空環(huán)境。烘烤除氣結束后分析器壁處理完畢的氣體質(zhì)譜，H2、H2O 和N2 (CO)熱脫附性能在120 ℃烘烤過(guò)程中被體現出來(lái)，分壓力峰值表現出不同的熱脫附機理，如圖2質(zhì)譜圖所示，圖中質(zhì)量數為2(H2)的峰值為6×10-5 Pa，相比較烘烤前壓力下降90.6%；質(zhì)量數為4(He、D2)的峰值為5×10-5 Pa，分壓力值下降92.2%；質(zhì)量數為18(H2O)的峰值為5.5×10-6 Pa，分壓力值下降99.1%；質(zhì)量數為28(N2、CO)峰值接近1.0×10-5 Pa，分壓力值下降98.4%。
圖2 真空室氣體質(zhì)譜圖
從除氣結果看出，120 ℃鄰域內的烘烤對真空室吸附的水分和部分雜質(zhì)進(jìn)行了解吸和脫水，有效地降低器壁的出氣率。圖3 是真空室在烘烤除氣過(guò)程中壓力和溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，兩個(gè)恒溫階段中的90 ℃熱平衡持續60 h ，真空度由1.6×10-3 Pa 變至4.8×10-4 Pa；120 ℃熱平衡持續98 h， 真空度由4.6×10-4 Pa 增到2.3×10-4 Pa。
烘烤除氣后用公式
計算漏率，式中，ΔP 為壓強變化量，Δt 為時(shí)間間隔，V 為真空室體積。經(jīng)計算，真空室的總漏率為5.8×10-5 Pa·m3s-1。以上結果表明真空室工作壓力和漏率均達到等離子體放電的真空條件。
圖3 真空度和溫度隨烘烤時(shí)間變化曲線(xiàn)
4、結論
在目標為10-5 Pa 量級的除氣過(guò)程中，真空室較高溫度可以增加氣體、雜質(zhì)等活性，烘烤后的器壁出氣率大為減小。在同等抽氣條件下，真空度取決于烘烤溫度和烘烤時(shí)間，增加烘烤功率和延長(cháng)烘烤時(shí)間可以改善真空度。120 ℃過(guò)熱水烘烤模式適合真空室除氣性能的良好表現，在HL-2A 真空系統運行中除氣效果(2.2×10-5 Pa)滿(mǎn)足聚變實(shí)驗對高真空度的要求，達到了設計目標，為進(jìn)一步研究更高溫度烘烤除氣系統提供數據支持。系統優(yōu)化、抽氣機組性能改善以及參數監測升級等加強抽氣效果的措施正在進(jìn)行中。進(jìn)一步的探討是嘗試把真空室壁面溫度提升至130 ℃，以期達到更好除氣效果。
