解密國際熱核聚變試驗堆（ITER）最關鍵的真空結構

北京時間7月28日下午，位於法國南部的國際熱核聚變試驗堆（ITER）正式進入組裝階段。這無疑是人類目前最具野心的核聚變項目，引起了國際上的廣泛關注。

從某種意義上來說，ITER就是一個迄今為止最大、最複雜的高真空系統。可靠的真空是ITER項目成功的關鍵。下面，就讓我們一起來了解一下其中主要的真空結構吧。

圖1 託卡馬克裝置示意圖

真空室

在聚變時，燃燒等離子體是要被約束在真空室內的。也就是說，真空室是等離子體直接運行的場所，它不僅要為真空室內部構件提供必要的支撐，在正常運行及非正常運行期間，還要承受自身和內部構件的重力、壓力以及各種電磁力。

這個真空室由歐韓俄聯合製造，設有44個外部接口，可供控制系統對艙內情況進行監控，內部為不鏽鋼壁面，且帖有一層用於將倉內聚變反應輻射隔離的防輻射「布」。其中4個部件來自韓國、5個部件來自歐洲，突出的埠則來自俄羅斯。

具體來講，ITER真空室為雙層不鏽鋼結構，基本形狀為中空的環形，其大環外徑為19.4m，大環高度為11.3m，內部空間高度為10263mm，寬度為5460mm。真空室由9個尺寸一樣的扇形單元組成，每個扇形的跨度為40°。其界面呈「D」形。內外殼體厚度均為60mm，雙層殼體之間的間隙為300~800mm。

圖2 ITER真空室整體結構與40°扇區結構

圖3 真空室內部示意圖

真空室內部有基本的室內部件和可置換的部件，包括孔欄、加熱天線、包層模塊、試驗包層模塊、偏濾器模塊以及診斷模塊等。這些部件需要通過容器上的窗口進入容器內部再進行安裝。真空室上開有三層窗口，分別為上部窗口、赤道窗口和下部窗口。

事實上，為了使國內的工程設計人員掌握相關的設計與分析技術，為國內的託卡馬克裝置設計建造積累經驗，國內也啟動了相關的配套項目，而首先開展的就是真空室的結構分析工作。

真空杜瓦

ITER的真空杜瓦（低溫恆溫器）是託卡馬克真空室和限制超熱等離子體的超導磁體周圍的「保溫瓶」。真空杜瓦由不鏽鋼製成，重達3850噸，其基座部分（1250噸）是ITER最重的部件。整體來看，真空杜瓦高30米、直徑30米，體積達16000m3，可以說是有史以來最大的不鏽鋼高真空壓力室。

真空杜瓦是ITER必不可少的重要組成部分，從上到下主要由頂蓋、上環體、下環體和基座這4大部分組成，各部分通過焊接或螺栓連接成一個整體。

圖4 杜瓦裝配圖（左）和杜瓦上環體約束模型（右）

圖5 真空杜瓦實物圖

杜瓦除了為系統運行提供穩定的真空環境之外，還要在氦氣洩漏以及等離子體破裂等極端情況下，必須保證整個裝置的安全。

據悉，當地時間5月28日，ITER的真空杜瓦基座平穩地落位到該裝置基坑內的臨時支撐上，杜瓦基座吊裝工作圓滿完成，正是由此開始，拉開了ITER主設備安裝的序幕。值得一提的是，這是中核集團牽頭的中法聯合體在疫情嚴峻時期「逆行」法國，「核」力取得的重要階段性成果，其起吊重量和安裝精度都打破了中國核能行業大件設備吊裝的記錄。

屏蔽包層的高溫氦檢漏

在真空室與第一壁板之間的屏蔽包層，其基本功能是中子屏蔽，對真空室和外部設備起到保護作用。ITER屏蔽包層模塊總共440塊，中方承擔了其中50%的屏蔽塊的生產與製作，共計220塊。

為了保證屏蔽包層能夠安全地發揮作用，需要對每一個屏蔽模塊進行一次熱態真空室高溫氦檢漏，這種檢漏是科學前沿的研究領域。

ITER熱氦檢漏系統主要由真空系統和高壓系統兩部分組成。真空系統用於檢漏過程的抽真空和加熱，高壓系統提供高溫高壓氣體。

這部分真空系統的真空泵系統由分子泵組、前級泵組和粗抽泵（1臺1600L/s複合分子泵、1臺15L/s前級泵、2臺70L/s的粗抽泵）等組成。抽氣10h後可以達到真空室要求的工作壓力。空載條件下冷態真空度能達到10-6Pa數量級，高溫條件下真空度能達到10-5Pa數量級。整個真空室的關鍵技術指標如下表。真空系統的結構如下圖。

圖6 真空系統結構圖

真空泵系統是真空獲得的關鍵設備，在整個熱氦檢漏系統工作前、工作過程中和工作後，都能對檢測系統的真空度進行控制。通過在主泵和前級泵之間串聯二級分子泵，可大大提高主泵出氣口的氣體壓力，相當於增加了泵組的壓縮級數，提高泵組對氣體的壓縮比，因而提高了泵組對氦氣和氫氣分子的排氣能力，通過一段時間的排氣後，真空室內參與氦氣及氫氣顯著減少，從而提高真空室真空度及降低本底漏率。

其他

值得一提的是，我國還承擔了ITER項目超導磁體的研發任務。超導磁體在經過絞纜、穿管、縮管等工藝之後，還需要進行真空檢漏試驗。

另外，相關材料也用到了真空工藝處理。例如ITER校正場線圈，這是用來補償磁場誤差的，由超導道題繞制而成，而真空壓力浸漬（VPI）是校正場線圈製造的最後一步。

當然，限於能力的不足，除了本文提及的部分，相信在ITER設備中還有更多的結構用到了真空的相關技術，還有更多的材料也用到了真空工藝來生產製造。可以說，「真空」的重要性在ITER這樣一個國際合作的大科學裝置中是不言而喻、不可或缺的。

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