EAST偏滤器改造对真空抽气系统的影响

　　EAST超导托卡马克试验装置是国家九五大科学工程项目，在 2009 年度春季物理实验中取得了巨大成功。在本次实验取得巨大成功的同时，偏滤器部件也发现了问题，多处外靶板与 Dome 间缝隙内挡板熔化被高能粒子击穿，部分挡板后水管被烧坏。本文针对目前EAST实验中遇到的问题，提出了增设石墨瓦结构，形成“V-shape  corner”结构的方案。并对新结构对偏滤器抽气系统流导的影响进行了理论计算、数值模拟和优化。这对最终方案的确定提供了理论依据。

一、引言

　　国家九五大科学工程项目 EAST 超导托卡马克核聚变实验装置的实验目标是：针对目前建造托卡马克核聚变堆尚存在的前沿性物理问题，进行探索性的实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。EAST 装置能实现高参数稳态运行,可开展先进聚变反应堆的前沿性、探索性研究, 为聚变能的前期应用提供重要的工程和物理基础。EAST 装置不仅规模大, 其具有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构等特点, 将有利于探索稳态近堆芯等离子体的科学和技术问题。

　　EAST 偏滤器研究是我国第一次进行偏滤器的工程研究、设计和加工制造。偏滤器研究是目前核聚变研究的难题之一，它涉及到物理学、材料科学、先进制造工艺学、热工水力学、电磁学、力学、真空技术、低温技术等方面。

　　EAST 超导托卡马克装置 2009 年度春季物理实验从1月15日开始，于4月26日结束。本轮实验主要围绕托卡马克物理前沿研究领域，特别是针对 ITER 未来物理实验的许多关键科学技术问题开展了为期3个多月的实验，在 EAST 团队成员的科学运筹，精心准备和共同努力下，获得了一系列的重要实验结果，并得到国内外同行的高度关注。在本次实验取得巨大成功的同时，偏滤器部件也发现了问题，多处外靶板与Dome 间缝隙内挡板熔化被高能粒子击穿，部分挡板后水管被烧坏（图一）。因此，对偏滤器偏滤器结构的改造是目前的重要课题。

图一：挡板熔化被高能粒子击穿，部分挡板后水管被烧坏

二、偏滤器结构改造

　　据分析，造成挡板烧蚀、水管熔化的主要原因，来自偏滤器位形放电时，部分等离子体通过外靶板和 dome 板之间的缝隙对挡板和水管照成轰击。 （图二）

图二：EAST偏滤器放电位型

　　据国外研究，在偏滤器靶板底端设置“V-shape corner”结构，可以有效的减少等离子体对下部管道和真空室的辐射影响，允许偏滤器打击点的短暂移动，提高偏滤器的灵活性。在ITER（图三） 、JT-60SA（图四）等大型托卡马克装置中， “V-shape corner”都被采用。

　　在如图五所示，在偏滤器外靶板底端设置 35mm宽、15mm 厚的石墨瓦结构，与外靶板底端形成“V-shape corner”结构，以减小等离子体对水管和真空室的影响。新增加的结构，会造成偏滤器内置低温泵抽气系统流阻增大、流导减小。因此，需要对真空抽气系统的流导进行重新计算。

三、偏滤器抽气系统流导计算

　　首先对原有结构流导进行计算。选取 1/16 圆周为研究对象。偏滤器抽气系统为从偏滤器外靶板底端到低温泵的圆弧。内圆弧弧长为 α=2πr/16=2×3.14×1.75=0.687(m)。将弧形简化为宽度为 a 的矩形。由于 a 为结构中的最小宽度，因此简化后的模型计算出来的流导略小于实际流导，简化是合理的。

　　根据 W.Klose 和H.Eger两人所给出的数据，即弯管与轴线长度相等、截面相同的直管相比较时，发现两者的流导没有显著的差别。当管道长度比较长时，弯管的影响可以忽略，弯管的影响可以忽略，计算弯管流导时，可按等效长度的直管计算。

　　对于 20℃空气，扁缝形管道的流导计算公式为：

　　U_f20℃=30Kb ab²/L [L/s]

式中：

　　U_f20℃---分子流时扁缝形管道队 20℃空气的流导 L/s
　　a——扁缝的宽度 cm
　　b——扁缝的高度 cm
　　L——扁缝管道的长度 cm
　　Kb——修正系数

　　对五段管道分别进行计算得：

　　“根据 2008年 8月7日~8日、8 月11 日~12日进行的测试情况，首套低温泵获得了令人满意的试验结果。在 1×10 ^-5 Pa的真空度条件下，对装置的有效抽速达到 26000（L/s） 。”由此可见，理论计算的结果与实验结果基本相符。
  
　　对于设置 V-shape corner的新结构，采用同样的方法进行计算，可得：

　　U_{新总H2 20℃}=  25.1m3/s
  
　　内置真空泵的理论最大抽速为 S₀ =127.2m³/s

　　根据 S有效=U·S0/U+S0可计算出低温泵的有效抽速为S新有效=21.0m³/s

　　S新有效/S原有效=21.0/29.0=70.2%

　　新结构使用后，有效抽速为S新有效=21.0m³/ s = 降为原来的70.2%。

四、数值模拟

　　使用 Fluent软件对抽气系统进行数值模拟。分别对原抽气系统（图六）和新抽气系统（图七）建立有限元模型。计算比较其流速的变化。经模拟计算，新结构流速降低为原结构的77%。 

五、优化计算

　　以上计算是基于新结构铺设率为 100%进行计算的。当新结构铺设率小于 100%时，所形成的是新结构与原结构的并联。由管道流导的并联关系式，得到总流导。再计算出有效抽速。如图八所示。

图八：新结构铺设率与总流导和有效抽速的关系

六、总结

　　根据计算结果，如下两种保护方案可供选择：

　　方案一仅保护水管，新结构铺设率约为 17%，此时对流导的影响较小，约降低为原来的94%。

　　方案二同时保护水管和真空室，新结构的铺设率约为 78%，此时对流导的影响较大，约降低为原来的 76%。

　　本文针对目前 EAST 实验中遇到的问题， 提出了增设石墨瓦结构，形成 “V-shape  corner”结构的方案。并对新结构对偏滤器抽气系统流导的影响进行了理论计算、数值模拟和优化。

　　这对最终方案的确定提供了理论依据。

　　经过最终讨论，最终决定采用同时保护水管和真空室的方案。