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(tǒng)對(duì)HL-2A 主機(jī)真空室進(jìn)行烘烤除氣，溫升梯度為±1.5 ℃ ，持續(xù)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(dá)到4.8×10-4 Pa，120 ℃熱平衡后真空度達(dá)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(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)真空度變化規(guī)律進(jìn)行趨勢(shì)分析，驗(yàn)證了過(guò)熱水烘烤除氣在HL-2A 裝置真空系統(tǒng)運(yùn)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(jù)。
HL-2A 托卡馬克是先進(jìn)的大型受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，裝置主機(jī)由真空室和線圈磁體組成，D型結(jié)構(gòu)的真空室(26 m3)是主機(jī)的關(guān)鍵部件。等離子體放電的真空環(huán)境要求達(dá)到10-5 Pa 量級(jí)，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)法滿足要求時(shí)需要對(duì)真空室器壁及其內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行烘烤，以便于附著在真空室內(nèi)壁的水汽、碳?xì)浠衔镆约半s質(zhì)解溶、解吸而游離出。考慮到真空室溫度的均勻性、可控性和熱容量，設(shè)計(jì)了最高130 ℃(避免130 ℃以上溫度造成真空室內(nèi)部構(gòu)件因熱膨脹引起泄露)過(guò)熱水循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)真空室器壁升溫的目的。該系統(tǒng)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(tǒng)上的技術(shù)應(yīng)用。
HL-2A 主機(jī)真空系統(tǒng)主要由真空室及抽氣機(jī)組組成。如圖1(圖中顯示出1/4 部分)所示，真空抽氣系統(tǒng)為分子泵、羅茨泵和機(jī)械泵串接的三級(jí)抽氣機(jī)組，真空室上均勻分布的8 個(gè)上、下斜窗口為抽氣機(jī)組接口。主抽氣管道由準(zhǔn)350 mm的導(dǎo)管、準(zhǔn)400 mm 的角度調(diào)節(jié)管和直角彎管三段組成，等效分子流通導(dǎo)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(duì)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(jí)抽氣由三套機(jī)組并聯(lián)構(gòu)成，其中一套由一組ZJB-600 羅茨真空泵和2X-70 旋片式機(jī)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(jī)械泵串聯(lián)組成。
圖1 HL-2A 真空室主抽氣系統(tǒng)(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(tǒng)，綜合考慮真空室的烘烤溫度和熱應(yīng)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(nèi)部構(gòu)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(shè)定的1.5 ℃/h 溫升梯度對(duì)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(tǒng)維持此溫度運(yùn)行60 h 后調(diào)節(jié)相應(yīng)閥門(mén)斷開(kāi)真空室附件，真空室壁面繼續(xù)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(xù)時(shí)間120 h。恒溫結(jié)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(yùn)行。
2、真空室烘烤除氣結(jié)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(jié)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(xiàn)出來(lái)，分壓力峰值表現(xiàn)出不同的熱脫附機(jī)理，如圖2質(zhì)譜圖所示，圖中質(zhì)量數(shù)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(shù)為4(He、D2)的峰值為5×10-5 Pa，分壓力值下降92.2%；質(zhì)量數(shù)為18(H2O)的峰值為5.5×10-6 Pa，分壓力值下降99.1%；質(zhì)量數(shù)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(jié)果看出，120 ℃鄰域內(nèi)的烘烤對(duì)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，兩個(gè)恒溫階段中的90 ℃熱平衡持續(xù)60 h ，真空度由1.6×10-3 Pa 變至4.8×10-4 Pa；120 ℃熱平衡持續(xù)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(jì)算漏率，式中，ΔP 為壓強(qiáng)變化量，Δt 為時(shí)間間隔，V 為真空室體積。經(jīng)計(jì)算，真空室的總漏率為5.8×10-5 Pa·m3s-1。以上結(jié)果表明真空室工作壓力和漏率均達(dá)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
4、結(jié)論
在目標(biāo)為10-5 Pa 量級(jí)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(zhǎng)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(xiàn)，在HL-2A 真空系統(tǒng)運(yùn)行中除氣效果(2.2×10-5 Pa)滿足聚變實(shí)驗(yàn)對(duì)高真空度的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，為進(jìn)一步研究更高溫度烘烤除氣系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)優(yōu)化、抽氣機(jī)組性能改善以及參數(shù)監(jiān)測(cè)升級(jí)等加強(qiáng)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(dá)到更好除氣效果。
