ADS注入器II氦低溫系統(tǒng)真空隔斷設(shè)計

王先進(jìn) ，牛小飛，胡傳飛 ，2，白 峰，2，張 鵬，羊永徽 ，郭曉虹

（1.中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

ADS注入器II氦低溫系統(tǒng)真空隔斷設(shè)計

王先進(jìn)1，牛小飛1，胡傳飛1，2，白 峰1，2，張 鵬1，羊永徽1，郭曉虹1

（1.中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

在超導(dǎo)直線加速器氦低溫系統(tǒng)中，真空隔斷是實現(xiàn)不同真空系統(tǒng)獨立的重要設(shè)備。首先簡要介紹了ADS注入器Ⅱ低溫系統(tǒng)，然后詳述了真空隔斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立了真空隔斷的熱力耦合分析模型，獲得了真空隔斷在不同狀態(tài)下的溫度及熱應(yīng)力分布，驗證了真空隔斷結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。該設(shè)計為后續(xù)優(yōu)化及大型氦低溫系統(tǒng)真空隔斷設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

ADS低溫系統(tǒng)；真空隔斷；結(jié)構(gòu)設(shè)計；熱力耦合分析

0 引言

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS，Accelerator Driv?en Sub-critical System），以加速器產(chǎn)生的高能強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊靶核（如鉛等）產(chǎn)生散裂中子，作為外源中子驅(qū)動和維持次臨界堆運行，可大幅降低核廢料的放射性危害，實現(xiàn)核廢料的最少化處置，同時還有能量輸出，可以提高核資源的利用率，被國際公認(rèn)為核廢料處理的最有效手段。

中國科學(xué)院于2011年啟動了“未來先進(jìn)核裂變能”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，其中ADS嬗變系統(tǒng)作為其兩大部署內(nèi)容之一，中國科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)了ADS注入器Ⅱ的研制工作。ADS注入器Ⅱ由電子回旋共振型離子源（ECR）、低能傳輸線（LEBT）、射頻四極場加速器（RFQ）、中能傳輸線（MEBT）以及低β值超導(dǎo)加速段等部分組成，最終將質(zhì)子加速到25 MeV高能引出。超導(dǎo)腔是超導(dǎo)加速段的主加速單元，由液氦（飽和溫度4.2 K）浸泡冷卻，液氦由氦低溫系統(tǒng)提供[1]。

1ADS低溫系統(tǒng)與真空隔斷

在ADS低溫系統(tǒng)中，制冷機(jī)產(chǎn)生的液氦分別經(jīng)過閥箱和低溫管線，進(jìn)入低溫恒溫器、浸泡冷卻超導(dǎo)設(shè)備。ADS低溫系統(tǒng)的基本流程如圖1所示。低溫管線采用多通道管線，多根管束在1根管道中，主管道包括4根：80 K液氮進(jìn)液、80 K氮氣回氣管、4.5 K液氦進(jìn)液、4.5 K氦氣回氣管，分支管路比主管路多1根液氦預(yù)冷管道（共5根）。液氦管道主要用于冷卻超導(dǎo)腔，液氮管道主要用于冷卻屏，由于液氦的氣化潛熱很小，為減少漏熱，低溫系統(tǒng)的主要設(shè)備如低溫管線和低溫恒溫器等，均采用多層真空絕熱結(jié)構(gòu)[2]，即在低溫設(shè)備上包扎多層絕熱材料（MLI），并增設(shè)液氮冷屏，以減少漏熱。

在低溫系統(tǒng)各設(shè)備中，不同設(shè)備的真空度需求并不相同。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，所需要的抽真空設(shè)備會增多，漏點會增加，當(dāng)某一處發(fā)生泄漏或者破壞真空環(huán)境時，將給維護(hù)工作帶來很大的困難。因此在低溫系統(tǒng)中，合理地設(shè)置真空隔斷，將不同設(shè)備的真空隔絕開，將極大地方便檢漏與維護(hù)，大幅減少系統(tǒng)恢復(fù)過程中的抽真空時間。

圖1 ADS低溫系統(tǒng)基本流程圖Fig.1 Process ofADS cryogenic system

根據(jù)整個ADS注入器低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及加速器系統(tǒng)分段調(diào)試的要求，將真空隔斷設(shè)置在與恒溫器連接的低溫管線的分支管路上。

2 真空隔斷結(jié)構(gòu)設(shè)計

真空隔斷需保證在不同工況下，漏率和漏熱滿足要求，且在工作時能承受較大的溫度梯度，不發(fā)生破壞。

由于多通道低溫管線的結(jié)構(gòu)，低溫管道需從真空隔斷上穿過，內(nèi)管道是低溫，外管道是室溫，因此，將真空隔斷設(shè)計成多層真空絕熱的型式，是減小熱負(fù)荷的有效方式。內(nèi)外管道之間抽真空以減少對流傳熱和殘余氣體導(dǎo)熱，并設(shè)計了JACKET夾層[3]，通過增加長度來增大導(dǎo)熱熱阻。JACKET夾層起到了遮熱板[4]的效果，可以有效的減少輻射漏熱。

在設(shè)計方案中，JACKET采用薄壁鋼管作為真空隔斷，材料為316L奧氏體不銹鋼。相比常見的波紋管真空隔斷設(shè)計[5]，硬管真空隔斷有一定的技術(shù)優(yōu)勢：（1）節(jié)省安裝空間，波紋管相比硬管，尺寸明顯偏大，造價更高；（2）有一定的支撐作用，當(dāng)接管較短時，無需專門的支撐結(jié)構(gòu)。在低溫管道上，設(shè)置波紋管補(bǔ)償冷縮變形，使得硬管支撐段的距離盡量小，以減少附加重力對管線強(qiáng)度的影響。

真空隔斷結(jié)合多通道管線，進(jìn)行布置。在多通道管線中，內(nèi)部液氦管尺寸內(nèi)徑為Φ14 mm，氣氦管內(nèi)徑為Φ28 mm，液氮管和氣氮管內(nèi)徑均為Φ30 mm，冷屏內(nèi)徑為Φ175 mm，外部管道內(nèi)徑為Φ275mm，低溫管道從真空隔斷上穿過。真空隔斷布置的多通道分支管總長為1.2 m。5根低溫管線分別焊接在鋼板上，鋼板外部焊接兩層薄壁不銹鋼套管，再與不銹鋼板相焊接，不銹鋼圈外部再焊接多層不銹鋼套管，最外層不銹鋼套管與低溫管線外管通過法蘭連接，冷屏通過螺栓連接在不銹鋼板上。真空隔斷的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 真空隔斷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of Vacuum barrier

真空隔斷的漏熱包括沿真空隔斷的導(dǎo)熱漏熱、輻射漏熱以及殘余氣體導(dǎo)熱。在真空隔斷中，沿真空隔斷導(dǎo)熱是主要漏熱。夾層的長度與厚度的選擇需兼顧漏熱與強(qiáng)度的要求，內(nèi)夾層連接4.5 K氦管路和80 K氮管路，外夾層連接80 K氮管路和常溫管路之間。一般而言，低溫管線的氦管路的漏熱為0.2～0.5 W/m，真空隔斷設(shè)計氦管路的漏熱與此相當(dāng)，設(shè)計需保證氦管漏熱≤0.5 W，氮管路漏熱≤3 W，根據(jù)式（1）、式（2）進(jìn)行粗選型：

導(dǎo)熱漏熱：

導(dǎo)熱熱阻：

式中：L0為薄壁鋼管總長度；D0為薄壁鋼管內(nèi)徑；λ為不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)；δ為薄壁鋼管厚度。其中不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)取積分平均值。

真空隔斷在某些工況下，某一側(cè)承受壓力（1.0×106Pa），另一側(cè)為真空（＜1.0×10-3Pa），工況最為惡劣，需保證在此工況下有足夠的強(qiáng)度。薄壁鋼管是懸空結(jié)構(gòu)，單層長度L=300 mm，分別以內(nèi)壓圓筒和外壓圓筒進(jìn)行壁厚的計算[6]：

式中：p為設(shè)計壓力；D0為內(nèi)筒體內(nèi)徑；σ為材料的許用應(yīng)力；Φ為焊縫系數(shù)；C0為壁厚裕度；m為穩(wěn)定系數(shù)；E為彈性模量。

由式（1）～（4），可以獲得不同厚度下真空隔斷管的長度。為滿足強(qiáng)度和漏熱的需求，最終選定從液氦溫區(qū)至液氮溫區(qū)的隔斷長度為0.6 m，兩層薄壁鋼管厚度為1.65 mm，從液氦溫區(qū)至常溫區(qū)的隔斷長度為1.2 m，四層薄壁鋼管厚度為1.5 mm。由于空間限制等因素，隔斷外層不再包裹多層絕熱材料。

3 熱-力耦合分析

真空隔斷工作在不同溫區(qū)，溫度改變時，由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮，會產(chǎn)生熱應(yīng)力。求解熱應(yīng)力，既要確定溫度場，又要確定位移、應(yīng)變和應(yīng)力場。通常熱應(yīng)力的求解步驟為：（1）由熱傳導(dǎo)方程和邊界條件求出溫度分布；（2）由熱彈性力學(xué)方程求出位移和應(yīng)力。為驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，基于ANSYS Workbench對真空隔斷結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，獲得其溫度分布、漏熱大小及應(yīng)力分布狀況[7]。

3.1 熱分析

真空隔斷的傳熱方式主要是導(dǎo)熱，輻射（＜0.05 W）和對流換熱及殘余氣體導(dǎo)熱可以忽略不計。計算過程中，液氦溫度為4.5 K，氣氦溫度為4.5 K，液氮和氮氣溫度均為77 K，外壁與空氣的自然對流換熱系數(shù)為5 W/m2·K，參考環(huán)境溫度T0=300 K，相對濕度Φ=60%，溫度分布如圖3所示。

圖3 真空隔斷運行溫度分布圖Fig.3 Working temperature distribution of vacuum barrier

熱分析結(jié)果可以直接得到漏熱數(shù)據(jù)，其中液氦漏熱為QLHe=0.1 W，液氮的漏熱為QLN2=2.0 W，外管壁溫度為294.76 K，低于參考?xì)夂驐l件下的露點溫度（常溫、相對濕度60%），不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

3.2 熱應(yīng)力分析

真空隔斷的典型工作狀況包括三種：（1）正常工作狀態(tài)，即真空隔斷兩側(cè)均為真空（真空度＜1.0×10-3Pa）；（2）恒溫器側(cè)破壞真空度，即恒溫器側(cè)正常破壞真空度或故障破壞真空度；（3）低溫管線主管側(cè)破壞真空度，即低溫管線側(cè)正常破壞真空度或故障破壞真空度。在非正常工作狀態(tài)下，某一側(cè)的壓力為常壓或者略大于常壓，在分析的過程中，此故障態(tài)壓力固定取0.10 MPa。當(dāng)某一側(cè)破壞真空度時，在溫度來不及改變的情況下，熱應(yīng)力最大，因此在熱應(yīng)力的分析過程中，仍保持溫度分布不變。

3.2.1 正常工作態(tài)分析

正常工作態(tài)的主要載荷包括熱應(yīng)力和自身重力，分析結(jié)果如圖4、圖5所示。真空隔斷正常工作態(tài)的最大等效應(yīng)力為24.4 MPa，最大變形量為0.49 mm。

圖4 正常工作態(tài)Von-Mises應(yīng)力圖Fig.4 Von-Mises stress of working condition

圖5 正常工作態(tài)形變圖Fig.5 Deformation of working condition

3.2.2 恒溫器側(cè)破壞真空度分析

當(dāng)恒溫器側(cè)破壞真空度時，載荷除了熱應(yīng)力和重力之外，還包括恒溫器側(cè)故障態(tài)壓力（假定此時管線溫度不變），分析結(jié)果如圖6、圖7所示。恒溫器側(cè)破壞真空度時最大等效應(yīng)力為72.9 MPa，最大變形量為0.65 mm。

圖6 恒溫器側(cè)破壞真空度時Von-Mises應(yīng)力圖Fig.6 Von-Mises stress of vacuum break of cryomodule

圖7 恒溫器側(cè)破壞真空度時形變圖Fig.7 Deformation of vacuum break of cryomodule

3.2.3 主管側(cè)破壞真空度分析

同樣，當(dāng)?shù)蜏毓芫€主管側(cè)發(fā)生破壞真空度時，載荷除了熱應(yīng)力和重力之外，還包括主管側(cè)故障態(tài)壓力（假定此時管線溫度不變），分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 主管側(cè)破壞真空度時Von-Mises應(yīng)力圖Fig.8 Von-Mises stress of vacuum break of main pipe

圖9 主管側(cè)破壞真空度時形變圖Fig.9 Deformation of vacuum break of main pipe

低溫管線主管側(cè)破壞真空度時最大等效應(yīng)力為64.62 MPa，最大變形量為0.66 mm。由溫度及應(yīng)力分析結(jié)果可知，在不同的工況下，真空隔斷的最大等效應(yīng)力均小于不同溫度下的不銹鋼許用應(yīng)力，即小于100 MPa，最大形變均小于1 mm，可滿足要求。

3 結(jié)論

ADS直線注入器II氦低溫系統(tǒng)真空隔斷，采用多層薄壁鋼管夾克式結(jié)構(gòu)，隔絕不同系統(tǒng)之間的真空，并盡量減少氦系統(tǒng)漏熱。理論分析的結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)無論是漏熱還是結(jié)構(gòu)安全性，均可以滿足不同工況下低溫系統(tǒng)的要求。

目前該真空隔斷已經(jīng)投入在線運行，極大的方便了低溫恒溫器的檢修及安裝。在運行過程中，經(jīng)測量表面溫度與氣溫差≤2.5℃，且無明顯變形，說明設(shè)計是合理的。該真空隔斷的設(shè)計與分析，為后續(xù)大型氦低溫系統(tǒng)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計以及進(jìn)一步優(yōu)化，提供了一定的參考依據(jù)。

[1]牛小飛，韓彥寧，姜子運，等.ADS注入器Ⅱ10 MeV加速器液氦分配系統(tǒng)設(shè)計[J].強(qiáng)激光與粒子束，2015，27（11）：249-253.

[2]肖志宏，汪榮順，石玉美，等.應(yīng)用逐層傳熱模型分析高真空多層絕熱中的傳熱過程[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2004，24（2）：113-117.

[3]Nielsen L，Parma V，Canetti M，et al.Industrialisation of the insulation vacuum barrier for the large hadron collider（LHC）magnetcryostats[J].Vacuum，2004，73（2）：207-212.

[4]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].第三版.北京：高等教育出版社，1998.

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[6]丁伯民，蔡仁良.壓力容器設(shè)計[M].北京：中國石化出版社，1992.

[7]王澤鵬，胡仁喜，康士廷.ANSYS Workbench 14.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

《真空與低溫》雜志2018年起增加頁碼

目前《真空與低溫》雜志的影響因子從0.186提升到0.552，為了滿足真空與低溫技術(shù)科研工作者發(fā)表論文的需求，《真空與低溫》編輯部向中國航天科技集團(tuán)公司研究發(fā)展部、甘肅省新聞出版廣電總局提出申請增頁的報告，并撰寫了增頁的可行性報告。經(jīng)批準(zhǔn)《真空與低溫》雜志從2018年起由64頁增加為72頁。隨著稿源質(zhì)量和數(shù)量的增加，及時調(diào)整《真空與低溫》的版面和頁數(shù)，以滿足作者發(fā)表論文的需求。

《真空與低溫》創(chuàng)刊三十多年來，得到了廣大作者、讀者、審稿專家和領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。為全國優(yōu)秀的真空與低溫工作者在理論研究、信息交流、成果推廣和人才培養(yǎng)方面，提供一個溝通和交流的平臺，聚集了一批真空與低溫優(yōu)秀的工作者，推動真空與低溫事業(yè)的繁榮和發(fā)展，這就是《真空與低溫》的努力方向和工作目標(biāo)。

（本刊編輯部）

VACUUM BARRIER DESIGN OF ADS INJECTOR-ⅡHELIUM CRYOGENIC SYSTEM

WANG Xian-jin1，NIU Xiao-fei1，HU Chuan-fei1，2，BAI Feng1，2，ZHANG Peng1，YANG Yon-ghui1，GUO Xiao-hong1
（1.Institute of modern physics，Chinese academy of sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In helium cryogenic superconducting accelerator system，vacuum barrier is important equipment to isolate vacuum of different systems.At first，this paper briefly introduces ADS injector-Ⅱcryogenic system，then describes structure design of vacuum barrier，after that，thermal-stress coupled analysis model is established.We obtain temperature and stress distribution of different working conditions and verify the rationality of structure design.This design provides reference basis for optimization and similar design of large cryogenic system.

ADS cryogenic system；vacuum barrier；structure design；thermal-mechanical coupled analysis

TB66

A

1006-7086（2017）06-0359-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.06.010

2017-08-21

ITER計劃專項（國內(nèi)配套研究）“聚變材料研究用小型高通量高能氘鈹中子源關(guān)鍵問題”資助（2014GB104000）

王先進(jìn)（1987-），男，湖北石首人，碩士，主要從事大型氦低溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail：wangxianjin@impcas.ac.cn。