EAST超導托卡馬克試驗裝置是國家九五大科學工程項目，在 2009 年度春季物理實驗中取得了巨大成功。在本次實驗取得巨大成功的同時，偏濾器部件也發現了問題，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實驗中遇到的問題，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行了理論計算、數值模擬和優化。這對最終方案的確定提供了理論依據。

一、引言

　　國家九五大科學工程項目 EAST 超導托卡馬克核聚變實驗裝置的實驗目標是：針對目前建造托卡馬克核聚變堆尚存在的前沿性物理問題，進行探索性的實驗研究，為未來穩態、安全、高效的先進商業聚變堆提供物理和工程技術基礎。EAST 裝置能實現高參數穩態運行,可開展先進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、全超導及主動冷卻內部結構等特點, 將有利于探索穩態近堆芯等離子體的科學和技術問題。

　　EAST 偏濾器研究是我國第一次進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、材料科學、先進制造工藝學、熱工水力學、電磁學、力學、真空技術、低溫技術等方面。

　　EAST 超導托卡馬克裝置 2009 年度春季物理實驗從1月15日開始，于4月26日結束。本輪實驗主要圍繞托卡馬克物理前沿研究領域，特別是針對 ITER 未來物理實驗的許多關鍵科學技術問題開展了為期3個多月的實驗，在 EAST 團隊成員的科學運籌，精心準備和共同努力下，獲得了一系列的重要實驗結果，并得到國內外同行的高度關注。在本次實驗取得巨大成功的同時，偏濾器部件也發現了問題，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，來自偏濾器位形放電時，部分等離子體通過外靶板和 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，允許偏濾器打擊點的短暫移動，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。內圓弧弧長為 α=2πr/16=2×3.14×1.75=0.687(m)。將弧形簡化為寬度為 a 的矩形。由于 a 為結構中的最小寬度，因此簡化后的模型計算出來的流導略小于實際流導，簡化是合理的。

　　根據 W.Klose 和H.Eger兩人所給出的數據，即彎管與軸線長度相等、截面相同的直管相比較時，發現兩者的流導沒有顯著的差別。當管道長度比較長時，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，可按等效長度的直管計算。

　　對于 20℃空氣，扁縫形管道的流導計算公式為：

　　U_f20℃=30Kb ab²/L [L/s]

式中：

　　U_f20℃---分子流時扁縫形管道隊 20℃空氣的流導 L/s
　　a——扁縫的寬度 cm
　　b——扁縫的高度 cm
　　L——扁縫管道的長度 cm
　　Kb——修正系數

　　對五段管道分別進行計算得：

　　“根據 2008年 8月7日~8日、8 月11 日~12日進行的測試情況，首套低溫泵獲得了令人滿意的試驗結果。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，理論計算的結果與實驗結果基本相符。
  
　　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 = 降為原來的70.2%。

四、數值模擬

　　使用 Fluent軟件對抽氣系統進行數值模擬。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。經模擬計算，新結構流速降低為原結構的77%。 

五、優化計算

　　以上計算是基于新結構鋪設率為 100%進行計算的。當新結構鋪設率小于 100%時，所形成的是新結構與原結構的并聯。由管道流導的并聯關系式，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%，此時對流導的影響較小，約降低為原來的94%。

　　方案二同時保護水管和真空室，新結構的鋪設率約為 78%，此時對流導的影響較大，約降低為原來的 76%。

　　本文針對目前 EAST 實驗中遇到的問題， 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行了理論計算、數值模擬和優化。

　　這對最終方案的確定提供了理論依據。

　　經過最終討論，最終決定采用同時保護水管和真空室的方案。