氘氚冷凍靶滲透室設計與實驗

夏立東 陳紹華 李海容 龍興貴 彭述明

(中國工程物理研究院 綿陽 621900)

氘氚冷凍靶滲透室設計與實驗

夏立東 陳紹華 李海容 龍興貴 彭述明

(中國工程物理研究院 綿陽 621900)

根據塑料靶丸高壓滲透充氣及冷凍的需求，設計了一套用于氘氚冷凍靶高壓滲透充氣的滲透室。滲透室采用雙錐面密封結構，采用高壓氦氣驅動波紋管變形壓緊滲透室實現密封，采用無氧銅做為密封材料，工作溫度范圍10—300 K，工作壓力0—150 MPa。滲透室加工組裝完成之后，進行了常溫高壓(0—150 MPa)、低溫(20 K)承壓檢漏實驗。實驗表明，在經過多次高壓循環(huán)之后，滲透室結構完好，無明顯塑性變形，密封漏率滿足使用要求。

冷凍靶 滲透室 漏率

1 引言

采用“高壓滲透充氣，然后冷凍、分層”的方法制備氘氚冷凍靶［1］，必然需要一套安全可靠的氘氚高壓系統(tǒng)。滲透室是氘氚高壓系統(tǒng)最為核心的部件之一，是靶丸高壓充氣的高壓容器，需要承受最高達150 MPa的壓力，并帶壓逐漸降溫到氘氚三相點附近(約20 K左右)，在充氣和降溫的過程中保證氘氚氣體不發(fā)生超出許可范圍的泄漏。

高壓氘氚系統(tǒng)中，一般采用螺紋壓緊的雙錐面密封結構［2］，采用退火無氧銅作為密封墊片。根據運行情況來看，該密封方式基本可以達到使用要求，密封漏率一般小于1.0×10-9Pa·m3/s，但偶爾會有少量泄漏發(fā)生。使用螺紋壓緊方式密封錐面，由于使用人、螺紋狀態(tài)等情況不同，每次的有效密封力量是不同的，不能保證密封的有效性和可靠性。另外，在相同溫度下，作為密封材料的無氧銅的線脹系數比不銹鋼大，降溫過程中無氧銅收縮較大，有可能會導致密封實效。

為滿足氘氚冷凍靶研制的要求，迫切需要研制一套高壓滲透室，可安全工作于常溫、低溫循環(huán)，便于密封和低溫操作，在常溫下滲透室內充入150 MPa高壓氣體，密封漏率小于1.0×10-9Pa·m3/s;從室溫到20 K低溫的變溫過程中，密封漏率小于1.0×10-9Pa·m3/s。

2 滲透室設計

2.1 滲透室結構設計

根據塑料微球高壓滲透充氣、冷凍的工藝需求，考慮變溫過程中的密封要求，以及便于密封和低溫操作，基于常用的雙錐面密封結構，設計了結構如圖1所示的滲透室。如圖1所示，滲透室由滲透室內筒、滲透室外筒兩個部分組成。其中，滲透室內筒由滲透室內筒體和密封堵頭構成，如圖2所示，透室內筒體和密封堵頭密封形成的容積，是塑料微球充氘氚、冷凍的場所，滲透室內筒體與密封堵頭之間的密封采用傳統(tǒng)的雙錐面密封結構，筒體錐面角度60°，密封堵頭錐面角度40°。滲透室外筒固定在支架上，由滲透室外套、底座和密封波紋管構成，如圖2所示，滲透室外套和底座為滲透室內筒提供支撐，密封波紋管充高壓氦氣后，驅動滲透室內筒體向下運動，壓緊密封堵頭，實現內筒的密封。

圖1 滲透室結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of permeation cell structure

圖2 滲透室內筒、外筒結構圖Fig.2 Schematic diagram of inner cylinder and outer cylinder of permeation cell structure

在不考慮滲透室筒體與外套之間摩擦的情況下，密封波紋管通過滲透室筒體上端受壓面?zhèn)鬟f的密封壓力與滲透室內被密封氣體作用于密封面壓力相等。假定，密封波紋管內氣體壓強P1，滲透室內氣體壓強P2，滲透室上端承壓面積S1，密封面受壓面積S2，則有如下公式成立:

顯然，在S1大于S2情況下，可以使用較低的密封壓力密封滲透室內的高壓氣體，通過設計滲透室上端承壓面面積與滲透室密封面受壓面積之比，可以調整需要的密封壓力大小。其中，密封壓力由波紋管內氦氣壓力決定，在氦氣壓力不變情況下，實際有效密封壓力不變，密封性能不變;滲透室溫度降低時，不斷為波紋管補充壓力，保持密封壓力不變(氦氣液化溫度4.2 K，遠低于設計要求的最低溫度20 K)，實現有效密封。

2.2 滲透室內筒設計

根據上述設計的滲透室結構，按照塑料靶丸高壓滲透充氣的需求，設計了如圖3、圖4所示滲透室內筒體和密封堵頭。

圖3 滲透室筒體尺寸Fig.3 Inner cylinder size of permeation cell

圖4 滲透室密封堵頭尺寸Fig.4 Sealing plug size of permeation cell

2.2.1 密封壓力計算

滲透室內壓力為150 MPa，根據式(1)計算密封所用壓力，滲透室頂端承壓面直徑86 mm，滲透室密封底座承壓面直徑17.81 mm，則波紋管內密封壓力6.43 MPa。即密封波紋管內充入6.43 MPa氦氣就可以密封滲透室內150 MPa高壓氣體，考慮到波紋管彈性強度、滲透室筒體與外套的摩擦等因素，并預留一定的安全系數，設計密封壓力8.0 MPa，安全系數約1.25，如果密封壓力10.0 MPa，則安全系數為1.55。

2.2.2 材料選擇

滲透室需要長期工作在高壓、低溫、氫氣氛的條件下，必須選擇一種強度高、耐低溫、抗氫脆的金屬材料。GH4169沉淀強化合金鋼在20-900 K范圍內具有良好的綜合機械性能，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，在低溫下得到了廣泛的使用［3］，其合金組成成分及部分機械性能數據如表1、表2。

表1 GH4169合金成分Table 1 Chemical composition of alloy GH4169

表2 合金機械性能數據Table 2 Mechanical performance data of alloy GH4169

2.2.3 強度校核

根據超高壓壓力容器設計規(guī)范，采用第四強度理論［4-5］對滲透室進行強度較核，如表3所示。表中所列公式中，Pd為設計壓力，MPa;σeq為容器當量應力，

;σs材料屈服強度，MPa;Ps為容器內壁屈服壓力，MPa;ns為內壁屈服安全系數;Pc為全屈服壓力，MPa;nc為內壁屈服安全系數;Pb為爆破壓力，MPa;nb為內壁屈服安全系數。

滲透室最高工作壓力150 MPa，設計壓力Pd=1.1×150=165 MPa;滲透室內外徑比:

式中:K為內外徑比，Do為外徑，mm;Di為外徑，mm。

表3 滲透室壓力校核Table 3 Pressure check of permeation cell

從表3中可以看出，設計的滲透室在壓力容器當量應力、內壁屈服壓力、全屈服壓力、爆破壓力校核中，安全系數均超過設計準則要求。

3 滲透室性能考核實驗

完成滲透室加工、組裝之后，對滲透室進行了高壓打壓實驗、高壓漏率檢測。實驗采用了圖5所示的低溫制冷、檢漏箱，滲透室被固定在制冷機冷頭上，通過外接管道引入高壓氦氣及密封氦氣，高壓氦氣由超高壓氦增壓系統(tǒng)提供，密封氦氣由氦氣鋼瓶供給;采用氦質譜檢漏儀實時監(jiān)測滲透室泄漏漏率。

實驗采用了無氧銅作為密封堵頭進行了密封性能考核，其降溫過程的壓力變化、及對應的滲透室漏率如圖6。在常溫和降溫過程中，無氧銅密封漏率在10-11Pa·m3/s量級水平及以下，當溫度下降到約125-150 K區(qū)間時，密封漏率略有升高，最高漏率3.8×10-11Pa·m3/s。經過分析，認為可能是由于隨溫度降低波紋管硬化收縮，導致有效的密封壓力下降，致使漏率發(fā)生一定的變化。

圖5 高壓檢漏用低溫制冷箱結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of cryogenic tank structure for high pressure leakage test

4 結論

圖6 無氧銅密封，變溫過程中滲透室壓力及漏率變化Fig.6 Plot of pressure and leakage rate vs temperature using oxygen-free copper seal

根據氘氚冷凍靶制備的需求設計了高壓滲透室，采用傳統(tǒng)雙錐面，結合波紋管壓縮的密封結構，解決了常溫高壓(150 MPa)密封、低溫高壓密封、變溫密封的技術難題;滲透室常溫150 MPa、常溫到降溫過程中的密封漏率均滿足設計要求。下一步將針對125-150 K溫度區(qū)間出現的漏率上升的現象進行研究，并根據研究結果，采取相應的措施以消除漏率上升的現象。

1 彭述明，夏立東，龍興貴，等.慣性約束聚變低溫冷凍氘氚靶制備技術［J］. 原子能科學技術，2009，43(8):756-761.

2 陳紹華，龍興貴，彭述明，等.微球充氣工藝實驗系統(tǒng)研制［J］.原子能科學技術，2008，42(9):861-864.

3 鄧群，杜金輝，趙長虹，等.GH4169合金的低溫性能［J］.鋼鐵研究學報，2011，23(supplement2):185-188.

4 陳國理，陳柏暖，王作池，等.超高壓容器設計［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1997.

5 鄭津洋，黃冰，孫國有，等.歐美壓力容器設計技術進展［J］.壓力容器，2002，19(1):39-42.

Design and testing of permeation cell for DT cryogenic targets

Xia Lidong Chen Shaohua Li Hairong Long Xinggui Peng Shuming

(China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

In order to meet the need of filling and freezing of plastic targets，a permeation cell was designed for deuterium and tritium filling by permeation method.The permeation cell adopts double cone sealing structure and use high-pressure helium bellows to force the cell body downward to the oxygen-free copper plug to achieve seal，operating at 10—300 K and 0—150 MPa.After permeation cell was processed and assembled，the strict leakage tests at high pressure，room temperature and low temperature were done，which validating the leakage rate meet the sealing requirement.

cryogenic target;permeation cell;leakage

TB663

A

1000-6516(2013)04-0045-05

2013-05-13;

2013-07-18

夏立東，男，33歲，助理研究員。