1、引言

　　EAST 托卡馬克是我國第一個超導磁約束聚變試驗裝置，主要用于等離子體物理實驗研究和探索聚變試驗反應堆所涉及的工程探索研究。EAST 裝置的一個主要物理與工程目標是實現(xiàn)高參數(shù)條件下的等離子體長脈沖放電，這也是實現(xiàn)未來商業(yè)化穩(wěn)態(tài)運行聚變反應堆所必須的條件。在長脈沖放電條件下有一個很重要的問題，就是及時排除放電室內(nèi)多余的雜質(zhì)氣體，對于具有偏濾器控制位形的 EAST 裝置，還要重點控制偏濾器區(qū)域高密度的雜質(zhì)中性氣體和多余的放電反應氣體，防止這些中性氣體雜質(zhì)返流到等離子體芯部，導致放電參數(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的限制，抽氣速度不能滿足等離子體放電時排除氣體負載的要求，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驗反應堆（ITER）的試驗模式，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。

　　考慮到研制的風險，目前我們僅安裝了一套該冷凝泵系統(tǒng)，并于 2008 年進行了性能測試，2009 年投入到偏濾器物理試驗研究。該系統(tǒng)經(jīng)受了深低溫、大溫差變形、裝置電動力及振動影響的考驗，沒有發(fā)生密封泄露現(xiàn)象，并且達到了預期的冷凝溫度和所要求的真空抽氣速度，降低了放電試驗過程中的雜質(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，我們曾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，不能達到期望值�？紤]到 EAST 托卡馬克是由16個單元體組成，裝置上、下各有 16 個窗口，我們就評估了多窗口輸入低溫液體，并在裝置內(nèi)部形成多個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，這個方案也沒有實現(xiàn)。最終，確定低溫泵抽氣面為環(huán)形體，在被動靶板下環(huán)繞一圈，低溫液氦、液氮的供應只占用1個裝置下窗口。這種設(shè)計參考了國外的經(jīng)驗，可以使空間占用體積最小，同時由于內(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)等離子體物理實驗的需要，我們設(shè)計了4套內(nèi)置式低溫泵系統(tǒng)，但考慮到設(shè)計與工程風險，2008 年我們僅研制安裝了1套，安裝在裝置優(yōu)先級較高的下偏濾器被動靶板的外側(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, 這意味著它對氘氣的抽除能力約為 7.9×10⁴L/S，對氫氣的抽速約為 1.1×10⁵L/S，對水蒸汽的抽速約為 3.7×10⁴L/S，對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排除，放電將在新的氣體平衡條件下進行。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，用于輸運液氦和液氮, 以冷卻環(huán)體泵的抽氣吸附面和熱輻射保護屏。由于整個環(huán)體泵的溫度均要冷卻到 5K 附近，這就對輸液系統(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，到閥箱的低溫液體運輸管路的熱輻射防護，再到托卡馬克裝置頸管內(nèi)的輸液管路的設(shè)計加工，均有良好的熱輻射防護設(shè)計。新設(shè)置的低溫液體分配閥箱，能夠同時供應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。對于這兩個子系統(tǒng)的安裝流程，在設(shè)計時就給予了充分考慮，這使得最終的安裝能夠順利完成。

　　環(huán)體泵實際上是由8個單元組合而成，雖然一些單元并不相同，需要獨立設(shè)計，但每個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，最外圍還有常溫熱輻射屏和單元彈性支撐。每個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)分別預安裝，最后連接單元之間的氦管及氮管，最后8個單元組合成一個大環(huán)形的冷凝泵。這種單元化設(shè)計與安裝可以快速適應裝置內(nèi)部部件的調(diào)整或改動，使工程進度基本不受影響。

　　環(huán)體泵的功能核心零件是一個由液氦冷卻的環(huán)形管，冷卻的溫度可以達到 5K，而該氦管的外圍是由液氮冷卻到 80K 的液氮輻射保護屏，液氮輻射保護屏的外圍是常溫熱輻射屏，這種結(jié)構(gòu)可以環(huán)境溫度及熱流對氦管溫度的影響，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低溫零件的熱傳導，環(huán)體泵的每個單元的支撐零件均做了細致設(shè)計。對于液氦管道的支撐，采用了彈簧支撐的方式，這可以大大延長 80K溫度的零件對 5K溫度零件的熱傳導距離，而液氮輻射保護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)，這既加長了熱傳導的距離，也使單元體的安裝和應用更具有環(huán)境適應性。