解密国际热核聚变试验堆（ITER）最关键的真空结构

北京时间7月28日下午，位于法国南部的国际热核聚变试验堆（ITER）正式进入组装阶段。这无疑是人类目前最具野心的核聚变项目，引起了国际上的广泛关注。
从某种意义上来说，ITER就是一个迄今为止最大、最复杂的高真空系统。可靠的真空是ITER项目成功的关键。下面，就让我们一起来了解一下其中主要的真空结构吧。

图1托卡马克装置示意图
真空室
在聚变时，燃烧等离子体是要被约束在真空室内的。也就是说，真空室是等离子体直接运行的场所，它不仅要为真空室内部构件提供必要的支撑，在正常运行及非正常运行期间，还要承受自身和内部构件的重力、压力以及各种电磁力。
这个真空室由欧韩俄联合制造，设有44个外部接口，可供控制系统对舱内情况进行监控，内部为不锈钢壁面，且帖有一层用于将仓内聚变反应辐射隔离的防辐射“布”。其中4个部件来自韩国、5个部件来自欧洲，突出的端口则来自俄罗斯。
具体来讲，ITER真空室为双层不锈钢结构，基本形状为中空的环形，其大环外径为19.4m，大环高度为11.3m，内部空间高度为10263mm，宽度为5460mm。真空室由9个尺寸一样的扇形单元组成，每个扇形的跨度为40°。其界面呈“D”形。内外壳体厚度均为60mm，双层壳体之间的间隙为300~800mm。

图2ITER真空室整体结构与40°扇区结构

图3真空室内部示意图
真空室内部有基本的室内部件和可置换的部件，包括孔栏、加热天线、包层模块、试验包层模块、偏滤器模块以及诊断模块等。这些部件需要通过容器上的窗口进入容器内部再进行安装。真空室上开有三层窗口，分别为上部窗口、赤道窗口和下部窗口。
事实上，为了使国内的工程设计人员掌握相关的设计与分析技术，为国内的托卡马克装置设计建造积累经验，国内也启动了相关的配套项目，而首先开展的就是真空室的结构分析工作。
真空杜瓦
ITER的真空杜瓦（低温恒温器）是托卡马克真空室和限制超热等离子体的超导磁体周围的“保温瓶”。真空杜瓦由不锈钢制成，重达3850吨，其基座部分（1250吨）是ITER最重的部件。整体来看，真空杜瓦高30米、直径30米，体积达16000m3，可以说是有史以来最大的不锈钢高真空压力室。
真空杜瓦是ITER必不可少的重要组成部分，从上到下主要由顶盖、上环体、下环体和基座这4大部分组成，各部分通过焊接或螺栓连接成一个整体。

图4杜瓦装配图（左）和杜瓦上环体约束模型（右）

图5真空杜瓦实物图
杜瓦除了为系统运行提供稳定的真空环境之外，还要在氦气泄漏以及等离子体破裂等极端情况下，必须保证整个装置的安全。
据悉，当地时间5月28日，ITER的真空杜瓦基座平稳地落位到该装置基坑内的临时支撑上，杜瓦基座吊装工作圆满完成，正是由此开始，拉开了ITER主设备安装的序幕。值得一提的是，这是中核集团牵头的中法联合体在疫情严峻时期“逆行”法国，“核”力取得的重要阶段性成果，其起吊重量和安装精度都打破了中国核能行业大件设备吊装的记录。
屏蔽包层的高温氦检漏
在真空室与第一壁板之间的屏蔽包层，其基本功能是中子屏蔽，对真空室和外部设备起到保护作用。ITER屏蔽包层模块总共440块，中方承担了其中50%的屏蔽块的生产与制作，共计220块。
为了保证屏蔽包层能够安全地发挥作用，需要对每一个屏蔽模块进行一次热态真空室高温氦检漏，这种检漏是科学前沿的研究领域。
ITER热氦检漏系统主要由真空系统和高压系统两部分组成。真空系统用于检漏过程的抽真空和加热，高压系统提供高温高压气体。
这部分真空系统的真空泵系统由分子泵组、前级泵组和粗抽泵（1台1600L/s复合分子泵、1台15L/s前级泵、2台70L/s的粗抽泵）等组成。抽气10h后可以达到真空室要求的工作压力。空载条件下冷态真空度能达到10-6Pa数量级，高温条件下真空度能达到10-5Pa数量级。整个真空室的关键技术指标如下表。真空系统的结构如下图。

图6真空系统结构图
真空泵系统是真空获得的关键设备，在整个热氦检漏系统工作前、工作过程中和工作后，都能对检测系统的真空度进行控制。通过在主泵和前级泵之间串联二级分子泵，可大大提高主泵出气口的气体压力，相当于增加了泵组的压缩级数，提高泵组对气体的压缩比，因而提高了泵组对氦气和氢气分子的排气能力，通过一段时间的排气后，真空室内参与氦气及氢气显著减少，从而提高真空室真空度及降低本底漏率。
其他
值得一提的是，我国还承担了ITER项目超导磁体的研发任务。超导磁体在经过绞缆、穿管、缩管等工艺之后，还需要进行真空检漏试验。
另外，相关材料也用到了真空工艺处理。例如ITER校正场线圈，这是用来补偿磁场误差的，由超导道题绕制而成，而真空压力浸渍（VPI）是校正场线圈制造的最后一步。
当然，限于能力的不足，除了本文提及的部分，相信在ITER设备中还有更多的结构用到了真空的相关技术，还有更多的材料也用到了真空工艺来生产制造。可以说，“真空”的重要性在ITER这样一个国际合作的大科学装置中是不言而喻、不可或缺的。