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中性束注入系统液氦输送管真空多层绝热研究 摘要 中性束注入系统要求有洁净的动态高真空环境，大抽速液氦冷凝泵是满足 此要求的理想真空获得设备。液氦冷凝泵需要定期输入大量液氦，而液氦潜热低 极易蒸发，并且价格昂贵，因此低冷损的液氦输送管道对降低实验运行成本有重 要意义。同时，液氦输送管良好的绝热性能也是保证液氦冷凝泵实现高性能运 行的必备条件。 本文深入分析了真空多层绝热的传热机理，建立了真空多层绝热的冷损数 学模型，并对模型的非线性方程组进行数值计算；用冷损失数学模型对真空多 层绝热进行了设计，设计了真空多层绝热液氦输送管；对输送管的性能进行测 试，单位长度热流量为0 1 8 8w mr 经验证本冷损数学模型计算值与实验测试值 之间的误差较小；设计制造的输送管用于中性束注入系统实验，满足了实际需 要。 本文建立的冷损数学模型可以用于真空多层绝热的参数设计。本研究可以 为将来用于e a s t 装置更大抽速的低温冷凝泵以及其他场合低温液体的绝热设 计提供理论依据和工程实践经验。 关键词：传热低温真空多层绝熟液氮数学模型 r e s e a r c ho nv a c u u mm u l t i l a y e ri n s u l a t i o no f l h et r a n s f e rp i p ef o rn b is y s t e m a b s t r a c t t h en e u t r a lb e a mi n j e c t i o nf t 铘3 i ) s y s t e mr e q u i r e sac l e a nh i g hv a c u u m e n v i r o n m e n t t h el i q u i dh e l i u mc r y o c o n d e n s a t i o np u m pw i t hh i g hp u m p i n gs p e e di s a ni d e a lv a c u u mo b t a i nd e v i c e t r a n s f e r r i n gl a r g eq u a n t i t yo fl i q u i dh e l i u mt ot h e c r y o c o n d e n s a t i o np u m pt i m e l yi se s s e n t i a l l i q u i dh e l i u mw i t hs m a l ll a t e n th e a ti s e x p e n s i v ea n dl e a n st oe v a p o r a t e t h e r e f o r e t h eh i g l l e f f i c i e n c yl i q u i dh e l i u m t r a n s f e rp i p ei so fi m p o r t a n tm e a n i n gi nr e d u c i n go p e r a t i n gc o s t m e a n w h i l e ，t h e g o o dh e a ti n s u l a t i o np e r f o r m a n c ei s a l li m p o r t a n tf a c t o rt h a tg u a r a n t e e st h eg o o d o p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo f t h ec r y o c o n d e n s a t i o np u m p i nt h i st h e s i s ，t h eh e a ti n s u l a t i o nt y p ew a ss e l e c t e da n dt h eh e a tt r a n s f e r m e c h a n i s m so fv a c u u mm u l t i l a y e ri n s u l a t i o n ( v m l i ) w e r ed i s c u s s e di nd e t a i l a m a t h e m a t i cm o d e lo fc o o ll o s si nv a c u u mm u l t i l a y e ri n s u l a t i o nw a sd e v e l o p e d t h e n o n l i n e a re q u a t i o n so ft h em a t h e m a t i cm o d e lw e r es o l v e d t h ep a r a m e t e ro ft h e v m l lw a sd e t e r m i n e da n dav m l il i q u i dh e l i u mt r a n s f e rp i p ew a sd e s i g n e db y u s i n gt h em a t h e m a t i cm o d e l t h ec o o ll o s sp e r f o r m a n c et e s ts h o w e dt h a tt h eh e a t t r a n s f e rr a t eo fp e rm e t e rp i p ei so 1 8 8w m t h ep i p em e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e n b is y s t e mi nap r a c t i c a le x p e r i m e n t i ti s p r o v e dt h a tt h em a t h e m a t i cm o d e lo fc o o ll o s s i nv a c u u mm u l t i l a y e r i n s u l a t i o nc a nb eu s e di nv m l id e s i g n t h i sr e s e a r c hp r o v i d e st h e o r e t i cb a s i c sa n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c ed a t af o rh e a ti n s u l a t i o nd e s i g n i nah i g h e rp u m p i n gs p e e d c r y o p u m p sa n do t h e ra r e a sw h e r ev m l id e s i g ni sn e e d e df o rc r y o g e n i cl i q u i d k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e r , l o wt e m p e r a t u r e ，v a c u u mm u l f i l a y e ri n s u l a t i o n ， l i q u i dh e l i u m ，m a t h e m a t i cm o d e l 符号清单 热扩散率，m 2 s 面积，m 2 比热容，j ( k g 目 格拉晓夫数，9 1 3 z a t i 矿2 比焓， j k g对流换热表面换热系数，w ( m 2 k ) 衰减系数 克努森数 管长，分子平均自由程，m 特征长度，m 气体分子相对质量 折射率，真空多层绝热层数 真空多层绝热层密度，层c m 努塞尔数，h l i 压强，p a 普朗特数， y 口 热流密度，w m 2 热量，j 热阻，k m ；摩尔气体常数，j ( m o l k ) 热力学温度，k 适应系数，体积膨胀系数，l k ；吸收率 反射率，金属电阻率，q m ；密度k g m 3 发射率，误差限 斯忒潘一玻耳兹曼常量，5 6 7 1 0 罐w ( m 2 k 4 ) 导热系数，w ( m k 、 热流量，w 比热比 厚度，m 动力粘度，p a s 运动粘度，m 2 s 时间，s 日彳 c西矗七巧，m m p n g q r r 口 p 占 口兄e l ，占 乒p r 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 - 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 。5 图6 1 图6 2 图6 3 插图清单 中性束注入器结构示意图oo 4 中性束注入器真空系统示意图6 主低温冷凝泵结构示意图8 漂移管道低温泵示意图8 低温蒸汽特性曲线oo 1 4 多层绝热模型1 6 真空多层绝热的表观真空度与有效热导率之间的关系2 1 真空多层绝热管的几何模型2 4 最速下降法算法框图oo 3 2 真空多层绝热液氦输送管结构示意图3 3 单位管长热流量随层数的变化3 9 单位管长热流量随缠绕张力的变化3 9 单位管长热流量随层密度的变化4 0 单位管长热流量随表观真空度的变化4 0 真空多层绝热输送管冷损测试平台示意图4 3 液氦系统测点温度的变化曲线4 7 液氦充注期间漂移管道内真空度的变化4 7 表3 1 表3 2 表3 3 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表5 3 表6 1 表格清单 各种低温绝热类型的原理及性能1 0 多屏效率与屏数的关系1 2 某些低温流体的物理性质1 3 低温下金属的法向吸收能力的实验值与理论值的比较1 7 部分常用材料的半球总发射率1 8 几种气体在不同温度下的平均自由程2 6 几种气体在标准状态下得比热比2 7 一些材料的热膨胀系数3 4 几种气体在不同温度下的适应系数值3 7 真空多层绝热辐射屏温度分布表3 8 真空多层绝热输送管冷损测试实验数据4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金月b 王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名琢岛乙 0 解脯洲年6 哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥腿些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 艘_ 工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期a 、彬拇b 月山玷 学位论文作 工作单位： 通讯地址 导师签名 签字日期：驴孝占月够日 与奄悃 电话： 邮编： 致谢 本论文从选题到论文完稿得到导师陈长琦教授和中科院等离子体物理研究 所欧阳峥嵘高级工程师两位老师的悉心指导。 衷心感谢导师陈长琦教授对我的悉心指导。陈老师严谨的治学态度、渊博 的知识、高屋建瓴的观点，让我受益终生。 衷心感谢中科院等离子物理研究所欧阳峥嵘高级工程师在课题研究过程中 所给予的无私指导和帮助。欧阳老师博学多才、思维敏捷、视野开阔、平易近 人，让我收益匪浅! 衷心感谢中科院等离子物理研究所胡纯栋研究员在学习和生活上给予的无 私帮助! 也感谢中性束课题组其他老师和同学在实验过程中给予的大力帮助。 感谢他们提供的优良研究条件和生活学习条件。 在论文的撰写过程中也得到了孙铭、钟瑜、毛雪东、崔伟、谢俊、王宝华 等研究生同学以及等离子体物理研究所博士生谢远来的帮助，谨此表示深深的 谢意。与他们在一起的美好时光永留心间! 最后，向多年来在我的成长和学习生涯中给予帮助和关心的所有老师、同 学以及亲戚朋友表示诚挚的谢意! 特别感谢我的父母、弟弟、妻子朱耿华以及 女儿蓓蓓! 是他们给了我应对各种困难的勇气和力量。 谨以此文献给他们! 愿他们健康快乐! 作者：乐瑞文 2 0 0 6 年5 月 1 1核聚变及其发展情况 第一章绪论 能源是推动科学、技术和经济高速发展的动力保障。随着社会的发展，人 类对能源的需求日益增加，世界面临着能源枯竭的危险。能源问题是2 l 世纪制 约社会发展的三大问题之。 煤和石油等化石能源是当今世界上能源消耗的最主要来源。但是作为不可 再生能源，化石能源资源日益枯竭，而且这类能源的大量使用已经给地球带来 了巨大的污染，这些因素促使人们更加重视寻找洁净的、可持久获得的新能源。 包括风能、太阳能、潮汐能和生物能等清洁能源，尽管使用起来不会产生污染 物，但它们受到地域和储能环节以及成本的限制，尚未成为人类的主要能源， 而只是作为对主要能源的补充。在过去1 0 0 年左右的时间中，人类对能源的研 究和使用已从化石燃料的单一化结构，发展到以化石能源为主，裂变核能和再 生能源互补的多元格局。 核能包括核裂变能和核聚变能两种形式。核裂变能是裂变物质的原子核通 过裂变释放出来的巨大能量，目前已经实现商用化。核裂变能是人类正在使用 的一种较为洁净的能源，尽管不会产生大量的c 0 2 、s 0 2 等污染物，但它存在着 安全性、高放射性核废料处理、裂变资源有限和核扩散等问题。在裂变过程中 还会产生大量长寿命、高毒性的放射性裂变产物和超铀元素，对环境造成长久 性的污染，因此，它只是作为一种相对清洁的过渡性能源。近些年来，随着人 们环境保护意识的不断增强，发展核聚变能受到世界各国的广泛重视，引起了 科学界的极大兴趣。核聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核释 放出来的巨大能量，核聚变反应在太阳上已经持续了约1 5 0 亿年。自然界中最 容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变反应。如果将一升海水中 的氘提炼出来使它发生聚变反应，所放出的能量相当于燃烧3 0 0 升汽油的能量， 而地球表面海水储量是1 0 1 8 吨数量级，含氘大约1 0 1 4 吨。目前世界上能源消耗 水平大约为2 l o ”焦耳，相当于5 6 x l o ”千瓦小时，年，全世界一年只需消耗 5 6 x 1 0 2 吨氘就够了。如此计算，地球上的氘也足够用1 0 “年( 即几百亿年) ， 而地球自形成以来才4 5 亿年【l j ，可见以开发聚变能为目标的受控热核聚变将为 人类提供最理想的清洁能源。考虑到核聚变固有的安全性、环境的优越性以及 资源区域的广泛性，核聚变能被认为是最终解决人类能源危机的战略能源，并 可以成为未来的换代能源【2 j 。开发这种新能源的科学可行性经过了近5 0 年的艰 难历程，首先在磁约束托卡马克聚变装置上得到了证实。但是要想最终实现聚 变点火，建成有经济意义的商用聚变堆，还要进行许多物理和工程方面的基础 研究，其中之一就是必须实现托卡马克装置的稳态运行和提高其约束性能。 1 2中性束注入的必要性及发展状况 经过几十年的努力，目前受控核聚变的研究已取得了部分成果，在等离子 体密度和约束时间上都已有了很大的提高，但是离实际应用仍然还有很大一段 距离。将等离子体加热到1 0k e v 以上，这是实现聚变点火必不可少的基本条件 之一，也是核聚变研究的重要任务之一。现阶段主要的等离子体加热手段包括 欧姆加热、大功率射频波加热、绝热压缩加热、a 粒子加热和高能中性束注入 加热等【3 1 。对于等离子体加热，初期托卡马克采用欧姆加热，由于随着温度升 高，等离子体电阻率降低，欧姆加热的效率也随之降低，仅用这种加热方式不 能使等离子体达到反应堆温度，必须寻求其它加热方式。中性束注入( n e u t r a l b e a mi n j e c t i o n ) 加热被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一 4 1 ，它利用 注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化，最终把能量转化成等离子 体的内能，从而提高等离子体温度。中性束注入加热在一些大型聚变实验装置， 诸如p l t 、p d x 、t f t r 、j e t 、n s t x 上都有成功的应用【4 j ，实践表明，n b i 加热系统能够显著提高核聚变装置中的等离子体参数( 温度、约束、1 3 值等) 【7 ，国际热核聚变实验堆i t e r ( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e m a lr e a c t o r ) 上也将采用中性束注入加热方式【1 “。 中性束注入加热最早于上世纪7 0 年代开始研究，并在许多托卡马克装置中 成功应用。例如，美国上世纪7 0 年代在p l t ，p d x d ，i i i d 上进行了m w 级 的n b i 加热试验，并取得了成功 5 , 6 1 ；同本在j t - 6 0 上，欧共体在j e t 上进行了 n b i 加热试验，取得了很好的结果。诸多试验表明，中性束注入加热能够显著 提高核聚变装置中的等离子体参数( 温度、约束、1 3 等) 1 7 月j ，在技术也很成熟。 中性束注入加热也是适于我国在现有条件下开展研究的前沿课题，中科院等离 子体物理研究所于2 0 0 2 年9 月正式通过立项，开始了中性束注入技术的研究工 作。中性束注入器的液氦低温冷凝泵需要由液氦贮罐定期输入大量液氦，液氦 输送管道的研究即为中性束注入的一个子课题。 1 3 课题的来源、目的及课题所研究的主要内容 本课题来源于中科院等离子体物理研究所，作为h t - 7 托卡马克装置中性 束注入加热系统的一个子课题而提出。课题的立项时间为2 0 0 2 年9 月份。 本课题旨在分析真空多层绝热的传热机理，建立真空多层绝热的热损数学 模型，并对模型的非线性方程组进行数值计算；为中性束注入系统液氦冷凝泵 研制液氦输送管道和为将来用于e a s t 装置更大抽速的低温冷凝泵以及其他场 合低温液体的绝热设计提供理论依据和工程实践经验。 本课题所研究的主要内容包括：分析真空多层绝热的传热机理及影响因素； 建立真空多层绝热的热损失数学模型并进行数值计算；设计真空多层绝热液氦 输送管：对输送管的性能进行测试，验证热损失数学模型，用该数学进行真空 多层绝热的优化设计等等。 1 4 课题的意义 为了研究核聚变，国内外研制了各种各样的聚变装置。要使托卡马克装置 中等离子体能量达到一定的要求，必须对等离子体进行加热。中性束注入加热 被国际聚变界公认为最有效的加热手段之一。中性束注入系统在国外上世纪七 十年代开始研制，现已具有相当规模，技术比较成熟。中科院等离子体物理研 究所在上世纪八十年代开始中性束注入方面的研究，但由于种种原因而中断， 于2 0 0 2 年才得以恢复。 中性束注入系统要求有洁净的动态高真空环境，大抽速液氦冷凝泵以其自 身的优点决定了它是满足此要求的理想真空获得设备。大抽速液氦冷凝泵需要 定期输入大量液氦，而液氦潜热低，极易蒸发，并且价格昂贵，因此低热损的 液氦输送管道对降低实验运行成本有重要意义。同时，液氦输送管良好的绝热 性能也是保证液氦冷凝泵实现高性能运行的重要条件。对真空多层绝热的深入 研究是提高该种绝热方式的绝热效果的基础性工作。真空多层绝热于1 9 5 1 年由 瑞典科学家彼得逊( p e t e r s o n ) 首先研制成功，此后真空多层绝热的研究取得了 很大的进展，其中对真空多层绝热结构的热损失计算一直是重要的基础性课题 f l p l 3 1 。 第二章中性束注入系统简介 由于托卡马克装置中有磁场而存在磁场力的原因，要将高能中性离子束注 入到等离子体中去是不现实的。解决该问题的办法是事先将加速到很高能量的 离子束中性化，变成高能量的中性粒子束，然后再注入到等离子体中去。中性 束一般指的是高能中性氘原子束，目前中小型实验装置上大多采用中性氢原子 束。因为中性粒子束不受约束磁场的影响，因而可以直接注入到等离子体中。 进入等离子体后通过电荷交换和碰撞电离变成离子被磁场捕获，再经过跟原有 等离子体发生库仑碰撞，把能量交给等离子体，从而达到加热的目的。这种方 法在托卡马克、磁镜等装置中得到广泛应用。 2 1中性束注入器的结构和工作原理 图2 - 1 是中性束注入系统的典型结构示意图，它包括强流离子源、中性化 气体室、偏转磁体、离子吞食器，漂移管道，以及真空系统、电源系统和控制 系统等等。 图2 - l 中性束注入器结构示意图 f i g2 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h es t r u c t u r eo f n e u t r a lb e a mi n j e c t o r 整个中性束注入系统的运行流程为：强流离子源利用大电流气体放电的方 法产生初始等离子体，温度一般只有几个k e y ，密度大约为1 0 1 0 m d 。多电极结 构从初始等离子体中把离子“拽”出来而将电子排斥掉。这些被拽出来的离子 通过加速结构而使能量增加( 2 0 2 0 0k e y ) 。加速后的高能离子再经过中性化气 体室，从其中的气体中捕获电子而变成高能中性粒子。从中性化气体室中出来 的粒子流中除了高能中性粒子外还有部分尚未捕获到电子的高能离子。这部分 尚未捕获到电子的高能离子没有被中性化，经过偏转磁体时会发生偏转，进入 离子吞食器。从中性化气体室出来的中性粒子束便经过传输管道和漂移管道注 入到等离子体中去。我们所研制的中性束注入器是在美国的p l t ( p r i n c e t o n l a r g et o r u s ) 中性束注入器基础上的延伸，其主要组成部分如下所述【l “。 1 离子源 离子源主要是用来产生高能离子束，其能量最大可达几百个k e v 。该系统 的离子源采用的是2 2c m 双潘宁型离子源，正常工作能够产生5 0k e v 、6 0a 、 3 0 0m s 的脉冲正离子束线。核聚变研究对离子源的一个重要要求就是希望引出 的离子束中质子的比例尽可能的高。在离子源放电室中我们采用氢气作为工作 气体，一般总是会同时产生三种离子：h + 、h 2 + 及h 3 + 。其中我们仅需要原子离 子h + ，而并不需要分子离子h 2 + 、h 3 + 。这些分子离子和原子离子一起通过加速 电极，因此它们获得相同的能量。在这种情况下，离子质量越大，其速度越小。 这些速度较小的分子离子进入中性化气体室后便会分解成原子和原子离子。将 中性化室中的气体靶的厚度调整到最佳值，平衡时输出的中性粒子束的功率将 会达到最大。 2 中性化室 中性化室是将来自离子源的高能离子转换成中性粒子的装置，其任务是提 供符合要求的电荷转换靶。从离子源中引出的离子束在中性化室中跟原子和分 子的碰撞过程中，最主要的是快离子的单电子捕获过程，这是种转移碰撞， 碰撞前后两粒子的电荷互相交换，可以用下式表示： a + + b a+b+e(2-1) 式中，a e 是碰撞过程中的能量亏损，等于两粒子电离电位之差。 如果是离子与其母体粒子碰撞： a + + a a + a + ( 2 - 2 ) 则虽然碰撞前后每个粒子的内能改变了，但是a e = 0 ，这个过程称为共振 电荷交换，其碰撞截面随相对碰撞速度的增加而单调下降。 当能量大于2 0 0k e v 时，截面急剧下降。分子离子与靶粒子碰撞时可能发 生电荷转移，也可能被激发。处于激发态的分子离子很不稳定，继而发生离解， 例如： h z + ih + + h ( 2 3 ) h 2 + h + + 一+ e ( 2 - 4 ) h 2 ! 一h + hf 2 5 ) h 2 二三一h 2 ( 2 6 ) ( 2 3 ) 至( 2 5 ) 三个过程中得到的h + 和h 的能量为h 2 + 能量的一半。三分 子离子h 3 + 也有类似的碰撞离解过程。在高能情况下，分子离子离解产生快中 性原子的截面急剧下降。 本系统中性化室为紧接在离子源后面的气体管道，横截面的几何形状与离 子源引出截面相同，为圆形，尺寸比前者略大，内径为2 5c m 。中性化室管道由 两层组成，内层为铜，背面焊接水冷铜管，以冷却内层表面；外层为高导磁材 料，对外部磁场进行屏蔽，以防止干扰束流，许多强流中性束离子源采用磁屏 蔽措施后，其磁场强度可降到l - - 2g s 以下。由于需要向中性化室送入氢气， 在中性化室中部设计了补气口。实验表明，送气可能使中性化转换效率提高， 但是离子源在引出栅上的束流损失增大了。进入中性化室的气体确定后，根据 靶厚要求和真空抽气系统参数，可以算出所需要中性化室管道的长度。中性化 室通过过渡法兰和绝缘套与离子源相连。 3 偏转磁铁 没有被中和的带电粒子和再电离产生的带电粒子不能让其进入托卡马克， 也不能偏离束线轰击真空室壁和漂移管道，因此必须用偏转磁铁将那部分带电 粒子偏转掉。偏转磁铁电流为4 0 0a ，产生的磁感应强度约为0 1 5t 。 4 离子吞食器 离子吞食器共有三个，分别吸收由h + 、h 2 + 、h 3 + 演变而成的h + ，由于离 子能量不同，偏转半径不同，吞食器与三种不同能量的离子束分别成一定的角 度，使之能承受足够大的功率。吸收靶材料为铜，背面冷却水管为铜管。各靶 厚度及管道直径由于吸收能量的不同而异。 5 漂移管道 漂移管道介于主真空室和托卡马克之间。由于主真空箱体内的动态真空度 为1 0 。3p a 量级，而托卡马克装置内部的真空度为1 0 1 0 - 7p a 。为了解决 二者之间真空度不匹配的问题，在漂移管道内装有一台抽速为2 0 ，0 0 0l s 的液氦 低温冷凝泵，它能把伴随h o 粒子束从主真空室传输过来的h 2 迅速抽除，起到 差分抽气的作用，从而防止高质量成分的杂质粒子注入等离子体区，污染等离 子体。同时，在漂移管道放置功率测量靶测量中性束的功率及束流密度分布等。 为灵活地调节漂移管道长度以及与离子源束流进行对中，在漂移管道出口处装 有过渡管道。 6 中性束注入器的真空系统 l 机械泵，2 真空阀门，3 涡轮分子泵，4 t a n k ，5 低温冷凝泵 图2 - 2 中性束注入器真空系统示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i co f t h ev a c u u ms y s t e mo f n e u t r a lb e a mi n j e c t o r 6 正在研制的中性束注入系统，其束参数为6 0a 、5 0k e v 、3 0 0s e c ，t a n k 内本底真空度为1 0 5 1 0 - 6p a 量级，动态真空度为5 5 1 0 一p a 。中性束注入 器的真空系统示意图如图2 2 所示：它由辅助真空系统与主真空系统两子系统 构成。辅助真空系统由1 5l s 机械泵和1 4 0 0l s 涡轮分子泵组成，主真空系统则 由对氢抽速分别为4 0 0 ，0 0 0l s 和2 0 ，0 0 01 s 的4 2k 液氦低温冷凝泵组成。辅助 真空系统对中性束注入系统进行预抽和低温冷凝泵再生期间抽除低温冷凝泵所 解吸的气体。主真空系统则起着快速稳定中性束注入系统动态真空度的作用。 2 2中性束注入器的低温冷凝泵 中性束注入器以脉冲方式工作，注入器内的真空度呈动态分布。按要求中 性化室内的真空度须为1 0 - 1p a 量级，真空箱体内动态真空度为1 0 - 3p a 量级， 而托卡马克的真空度量级一般在1 0 _ 5 1 0 7p a 1 5 1 为了在中性束注入托卡马 克的瞬间不影响托卡马克内的真空度，也为了减小中性束的再电离损失，需配 备大抽速的泵来迅速提高真空度。就目前正在研制的中性束注入器而言，其束 参数为6 0a 、5 0k e v 、3 0 0m s ，为了获得良好的动态真空度，现在中心化室部 位布置一台对氢抽速为4 0 0 ，0 0 0l s 的液氦低温冷凝泵，在漂移管段布置一台对 氢抽速为2 0 ，0 0 0l s 的液氦低温冷凝泵。液氦低温冷凝泵的性能特点是l l6 】： 1 不受几何尺寸的限制： 2 洁净，没有高质量的杂质粒子流入等离子体区，污染等离子体； 3 能用于有磁场( 0 1 5t ) 和中予辐照环境，且能长期安全运行； 4 易于安装与维护，造价及运行费用低。 主真空室用抽速为4 0 0 ，0 0 0l s 液氦低温冷凝泵【i ”，如图2 3 所示，其理论 液氦消耗量为4 1 5 。漂移管道抽速为2 0 ，0 0 01 s 液氦低温冷凝泵，如图2 4 所示，其理论液氦消耗量为1 1 协。主真空室用抽速为4 0 0 ，0 0 01 s 的液氦低温 冷凝泵主要用来抽走再电离产生的气体和给中性化室补气后的残余气体。它的 两臂均由三块冷凝板组成，中间一块为液氦冷凝板，冷凝泵主要通过它进行抽 气：两边为液氮冷凝板，用来预冷气体分子、降低对液氦冷板的热辐射。冷凝 板内部的管道用来输液氮或液氦。漂移管道抽速为2 0 ，0 0 01 s 液氦低温冷凝泵安 置在漂移段内，主要用来维持托卡马克和中性束注入系统的压强差，两台低温 冷凝泵的工作原理相同。 图2 - 3 主低温泵示意图 f i 9 2 3s c h e m a t i co fm a i nc r y o p u m p 圈2 - 4 漂移管道低温泵示意图 f i 9 2 4s c h e m a t i co fc r y o p u m pi nd r i f t t u b e 8 第三章低温液体输送管道绝热形式的比较与选择 3 。1概述 低温绝热技术是低温产生、保持和应用必不可少的技术，如液化器的保温、 低温液化气体的贮存与运输、低温环境的获得与保持，各种低温下的应用等均 离不开低温绝热技术。绝热性能的好坏不仅涉及到各种低温应用的效果，甚至 还关系到这些应用是否可能f 1 ”。因此，低温绝热技术广泛应用在低温工程领域。 不同的绝热结构、不同的绝热材料、不同的工艺条件对绝热性能会产生很大的 影响。 随着社会的发展，包括液氮，液氦，液化空气，液化天然气，液化石油气， 液氢，液氧等等各种低温液体已经广泛运用于工业生产，科学实验等许多领域。 由于这些低温液体的沸点低、潜热值小，合理的设计绝热结构对低温液体的输 送起着十分关键的作用l l 。 低温绝热的目的是采用各种不同的绝热类型与结构，将通过对流、传导、 热辐射等途径传递给低温体系的热量减小到尽可能低的程度，以维持低温系统 的正常工作。 低温绝热材料要求耐低温、导热系数低、吸水率低、透气性差，并且具有 寿命长、价格低、施工方便、抗老化等等特点【2 0 】。在实际的工程应用中，往往 没有一种固定的最佳材料，常根据实际情况选择最合适的方案。 低温绝热一般分为非真空绝热和真空绝热两大类型。非真空绝热即普通堆 积绝热或堆积绝热，指在低温设备的外表面堆积或包扎一定厚度的绝热材料的 绝热方式。而真空绝热是在绝热空间内保持一定的真空度的一种绝热型式。真 空绝热包括高真空绝热，真空多孔绝热，真空多层绝热，多屏绝热等几种。这 些低温绝热类型的原理及性能【2 1 】的概况如表3 1 所示，以下分别进行讨论。 3 2 普通堆积绝热 普通堆积绝热是在低温装置围护结构的内侧或低温设备、管道的外侧敷设 固体的多孔性绝热材料，绝热材料的空隙中充满大气压力的空气或其他低温气 体( 如n 2 ，h 2 ，h e 等) 。普通堆积绝热的材料有固体泡沫型，粉末型，纤维型等。 普通堆积绝热的热传导主要指固体传导和气体传导，这部分热流量占整个热损 失的9 0 。 为减少固体导热，普通堆积绝热的材料应该选用热导率低、质量轻、含有 大量气体的的绝热材料，如常用的膨胀珍珠岩，气凝胶，超细玻璃棉，聚苯乙 烯，泡沫塑料等。低温绝热材料的热物理性质主要有热导率、比热容、吸湿性 能和热膨胀等。 表3 - 1各种低温绝热类型的原理及性能 9 序号类型 原理 性能w ( m k ) 利用热导率小的材料包纤维类0 0 3 5 0 0 5 l 堆积绝热覆在被绝热体的表面上达粉末类0 0 i 8 5 0 0 6 4 到绝热目的。泡沫类0 0 2 8 0 0 6 4 绝热空间抽成高真空后残余气体导热量约为 2 高真空绝热消除气体对流传热和大幅 0 1 0 2 w m 2 度减少气体导热。 ( 3 0 0 k 7 7 k 、 利用热导率很低的粉末 真空粉末( 纤维)或纤维充填在不高的真空 3 1 0 1 0 0 绝热下，即可消除气体对流传 热。 利用在真空下气体传热 甚低的情况，采用多层反 4 高真空多层绝热1 0 1 0 6 射屏减少辐射传热。达到 高效绝热的目的。 为防止因绝热材料空间的气体冷凝或固化造成绝热性能的恶化，可以在堆 积材料的孔隙中充填保护气体。该气体的冷凝温度应该低于冷表面的温度，同 时要求该气体的热导率要小。一般情况下，冷表面温度在7 7k 以上的选择氮气 作为保护气体，7 7k 以下的选用氩气。氨气的热导率比氮气的小，但是价格更 高。 为减少辐射传热，可以在堆积绝热材料中安置金属辐射屏，或者在粉末或 泡沫材料种添加阻光金属粉末，这样都能提高绝热性能。 堆积绝热结构的保护层常有涂抹类，毡布类，金属类等。保护层能有效防 止外界对绝热层的损坏，延长使用寿命。防止雨雪及潮气的侵入而造成绝热材 料吸湿后导致绝热性能下降。 普通堆积绝热具有结构简单，造价低廉等优点，但是与此同时其绝热性能 较差，现在的普冷装置，天然气液化装置，空气分离装置以及液氧温度以上的 各种设备和管道都广泛采用这种绝热方法。 3 3 高真空绝热 高真空绝热又叫单纯真空绝热，由英国科学家杜瓦( d e w e r ) 于1 8 9 8 年发 明。高真空绝热是将要求绝热的空间抽成1 0 4 1 0 。p a 的真空度，从而消除气 体的对流传热和大部分的残余气体导热，可以达到很好的绝热效果。 高真空绝热实际上是一个由热壁和冷壁构成的纯粹真空空间。在高真空绝 1 0 热中，热损失主要来自热壁通过绝热空间向冷壁的辐射传热，另外还有少量的 固体构件热传导和残余气体导热。 为了减小辐射传热，高真空的壁面选用低发射率的材料，如铜，铝，金银 等。对材料的表面进行清洁和表面处理也可以降低发射率，从而提高绝热性能。 绝热空间内的残余气体导热与气体种类，压力，温度有关。因此要尽量采 用放置吸气剂的方法以维持真空度。 高真空绝热结构简单，热容量小，制造方便，成本低廉，在小型液氮、液 氧的贮存容器，氢、氦的液化装置中广泛应用。但是因为该种绝热的高真空获 得和保持比较困难，限制了它在大型装置中的应用。 3 。4 真空多孔绝热 真空多孔绝热是在绝热空间充填粉末或纤维等多孔绝热材料，再将绝热空 间抽至一定真空度的一种绝热型式。只要在不高的真空度下，就可以消除多孔 界之间的气体对流传热，大大减小了高真空获得与保持的难度。 真空多孔绝热的热导率只有堆积绝热的几十分之一，并且真空度要求不高， 内部压力在1 1 0p a 左右，所以广泛应用于低温工程领域。 影响真空多孔绝热性能的因数主要有，绝热层残余气体的种类和压力，多 孔材料的密度，绝热材料的颗粒直径，以及添加的金属粉末的种类和数量。 真空多孔绝热要求的真空不高，而其绝热性能比普通堆积绝热好两个数量 级，比高真空绝热好一个数量级，因此广泛应用在大中型的低温液体贮运设备 中。该种绝热型式要求央层的问距大，从而造成结构复杂体积庞大。 3 5 真空多层绝热 真空多层绝热，是一种在真空绝热空间中交替安置许多层平行于冷壁的具 有高反射率的辐射屏和具有低热导率的间隔物，从而大幅度减少辐射而达到高 效绝热目的的一种绝热结构。真空多层绝热是瑞典科学家彼得逊( p e t e r s o n ) 于 1 9 5 1 年最先研制成功的。 绝热空间中设置n 个辐射屏后，其辐射传热理论上就减d , n 原来的1 n + 1 倍， 效果十分显著。同时，由于真空多层绝热其真空度高，残余气体的导热和对流也 被很好的抑制，从而使多层绝热整体上具有优异的绝热效果。真空多层绝热是目 前绝热效果最好的一种绝热型式，有超级绝热之称，现在广泛应用于低温液体贮 运，空间计划，科学实验等低温工程领域8 ”1 。 常用的辐射屏包括铝箔等金属箔，特别是双面或单面喷铝的涤纶薄膜。而 常用的间隔材料有玻璃纤维布、尼纶网、纤维纸、丝绸等。 3 6 多屏绝热 多屏绝热是一种多层辐射屏与蒸汽冷却屏相结合的绝热结构。该结构采用 金属屏与冷蒸发气体溢出管相连接，利用冷蒸汽吸收的显热来冷却辐射屏，抑 制辐射热流，提高绝热效果。这些数量有限的金属屏蔽层，既是多层绝热的辐 射屏，又是蒸汽冷却屏，同时还可以削弱多层绝热的纵向导热。 液体的沸点越低，把蒸汽由沸点加热到环境温度所需的热量与其汽化热之 比值越大。由表3 2 可见，对于液氦和液氢使用蒸汽冷却屏得多屏绝热具有特 别显著的效果。 多屏绝热式真空多层绝热的改进，绝热效率高，热容量小，质量轻，制作 简单。但是同时以低温液体的蒸发消耗作为代价，并且结构复杂，所以应用受 到一定的限制。 表3 - 2多屏效率与屏数的关系 t a b l e3 - 2r e l a t i o nb e t w e e ns h i e l dn u m b e ra n de f f i c i e n c y 正常蒸发率的减少率( ) 低温液体显热潜热比 汽冷屏屏数1汽冷屏屏数5汽冷屏屏数1 0汽冷屏屏数一 氦6 3 85 81 7 52 l2 5 3 氢8 61 9 544 ，85 6 氖3 41 3 122 32 6 氮 1 1 31 1 3i 41 51 7 5 氧0 8 71 11 31 41 5 5 3 7 绝热形式的比较 对于以上介绍的各种绝热形式，都有其各自的优缺点，在实际应用中要结 合各方面的因素选择最合适的绝热形式。他们的优缺点小结如下： 1 膨胀泡沫绝热 优点：成本低，机械强度较大，不需要刚性的真空夹层套。 缺点：热收缩率大，热导率会随时间改变，热导率较大绝热效果较差。 2 充气粉末和纤维材料绝热 优点：成本低廉，容易应用于不规则形状的表面，不会燃烧。 缺点：必须在绝热腔内充如干燥气体以防潮，使用过程中粉末会沉降压紧， 导致绝热效果下降。 3 单纯高真空绝热 优点：热流较许多小厚度的绝热小，预冷损失小，容易实现对形状复杂表 面的绝热。 缺点：需要长期保持高真空，边界表面的辐射率要小。 4 真空粉末与纤维绝热 优点：绝热层厚度大于1 0 0n l n l 时，绝热效果比单纯高真空绝热要好；真 空度的要求比真空多层绝热低，真空获得较容易，以于对复杂形状进行绝热。 缺点：在震动负荷下和反复热循环中会导致粉末沉降压实。抽真空时需用 真空过滤器，外露大气时应防潮。 5 不透明粉末绝热 优点：比真空粉末的绝热性能好，真空要求比高真空绝热和真空多层绝热 低，容易绝热复杂的形状。 缺点：铝粉在氧气中由爆炸危险，比真空粉末的成本高，存在金属粉末沉 淀分层的问题。 6 真空多层绝热 优点：在所有的绝热形式中性能最好，低重量，预冷损失比真空粉末绝热 小，稳定性也比真空粉末绝热好，没有沉降压实问题。 缺点：单位容积的成本高，难以对复杂形状绝热，真空度要求高，存在平 行方向的导热。 3 8 绝热形式的选择 因为各种绝热形式都有其各自的特点，选择绝热形式时，首先要根据具体 的绝热性能要求选择满足需要的可行的形式，与此同时，还要考虑经济上的合 理性以及加工安装上的方便性。 表3 3 某些低温流体的物理性质 参数氦 氢氯氧 大气压下的沸点 k4 22 0 47 7 39 0 液体的比重 i 1 2 57 18 1 01 1 4 0 汽化热 j g 1 9 54 5 01 9 9 2 1 3 汽化热 k j 1 2 43 1 61 6 22 4 3 对于应用于中性束注入系统的液氦低温冷凝泵的液氦输送管，如表3 3 所 示，因为液氦在标准状态下的沸点低，只有4 2k ，其汽化潜热为1 9 5j 佗，所以 液氦非常容易蒸发。加上氦气资源稀缺，其液化过程需要消耗大量能源，致使 其价格昂贵。对于中性束注入系统的液氦低温冷凝泵，其抽气能力依靠液氦给 抽气面提供冷量，如果抽气面的温度提高几度，都会极大的减弱其抽气性能。 图3 1 给出了低温范围内的蒸汽特性曲线，由图可知通过低温冷凝抽气， 低温冷板的温度对低温冷凝泵的极限真空有很大的影响【2 。 基于以上原因，在中性束注入系统的液氦低温冷凝泵的液氦输送管的绝热 设计中，各种绝热形式种选择真空多层绝热应用于，因为真空多层绝热在所有 的绝热类型中效果最好。采用该种绝热形式可以最大限度的保证液氦低温冷凝 泵的冷板处于液态温度，从而保证液氦低温冷凝泵的真空性能。同时由于液氦 的输送量大，可以极大的提高液氦输送的经济性。 _ - v i 】o 。 晶点 已 黪 。三相点 ( 妒岳芗气弓 i o ，7 么。静、f 跌 1 c 2 ，。 卅 ， ， 擎- 1翰i f l弘 i l 一 厂 ， rr | i 1 q z l o ! e 形v 一wh t 警t j |1 0 3i ：o j 1 1 0 一。 r a j 搠 o _ | f? 氏| j，j 1 0 。 | ， |啪h f |嘴 i o - ， f | lll l i i 建i iy，一 r 一 图3 i 低温蒸汽特性曲线 f i g 3 -