Выбор средств откачки

Специфика конденсационной откачки трития заключается в объемном тепловыделении в слое конденсата. Десорбция сконденсированного трития под действием электронов /3-распада незначительна, а объемный нагрев конденсата в тонких слоях мал. Тем не менее при толщинах, превышающих 3 мм, саморазогрев слоя конденсата приводит к появлению заметного перепада температур. Серьезной проблемой при длительной откачке трития может стать выделение продукта его /3-распада — ³Не, который не конденсируется при 4 К. Для откачки гелия в этом случае необходим дополнительный насос. Достоинства конденсационных насосов — простота исполнения и эксплуатации, стабильность работы в широком диапазоне откачиваемых газовых потоков, неограниченное число циклов регенерации; недостаток — невозможность использования при интенсивных тепловых потоках.

Криосорбционная откачка изотопов водорода может осуществляться при температурах 10 — 30 К с использованием микропористых сорбентов — углей, цеолитов, а также слоев отвердевших легкоконденсируе-мых газов. Достоинства криосорбционных насосов — возможность работы при тепловых потоках, недопустимых при температуре жидкого гелия, меньшая по сравнению с конденсационными насосами чувствительность к колебаниям температуры. Их недостатки — большая сложность конструкции и эксплуатации, менее стабильная работа при откачке больших газовых потоков.

Конденсация гелия невозможна из-за высоких энергозатрат. Единственный способ его откачки с большой быстротой — криосорбция на микропористыхсорбентах при 4 К. При откачке гелия, например, на древесном угле удельная быстрота действия составляет 40 м³/ (с • м²) при сорбционной емкости до 10⁴ м³ • Па/м². Для регенерации необходимо повысить температуру сорбентов до 35 К. При откачке гелия на слоях сконденсированных газов большое значение имеет структура криоосадка газа-сорбента, определяемая условиями его формирования. Для получения аморфной мелкокристаллической структуры, имеющей развитую поверхность и лучшие сорбционные характеристики, слой сорбента необходимо формировать при пониженных температурах и больших скоростях осаждения.

Таблица 2.4. Типичные вакуумные параметры ТЯР

Откачка DTHe-смеси путем криосорбции на цеолите при 4 К возможна только при давлении, меньшем 7 • 10³ Па. При большем давлении происходит блокировка криопанели изотопами водорода и откачка гелия прекращается. В связи с этим в реакторах предполагается использовать раздельные панели для откачки изотопов водорода и гелия. Максимальное давление, при котором откачивается гелий, составляет 1 • 1*10¹ Па.

Средства высоковакуумной откачки размещают по возможности ближе к активной зоне реактора, радиационная защита которого устраняет опасность перегрева криопанелей потоками нейтронного и у-излучения. Тепловыделение в экранированной криопанели определяется преимущественно у-излучением.

Эффективным средством откачки водорода наряду с криогенными насосами служат нераспыляемые металлические геттеры, в частности на основе титана и циркониево-алюминиевых сплавов. Например, удельная быстрота действия по водороду сплава St 101 (84% Zr + 16% Al) при температуре 670 К составляет 14 м³/(с • м²). Насос, выполненный на базе этого геттера в виде двух сложенных гармошкой лент, имеет удельную быстроту действия около 100 м³/(с • м²) .Температура регенерации сплава St 101 равна 970 К. В ряде случаев предпочтительнее использовать геттеры на основе сплава 70% Zr + 24,6% Al + 5,4% Fe, имеющие комнатную рабочую температуру и температуру регенерации 770 К. Основное преимущество геттерных насосов — сравнительно высокая рабочая температура, поэтому они могут быть расположены вблизи элементов вакуумного тракта, имеющих повышенную температуру. Поскольку геттер малочувствителен к воздействию излучений, рассматривается возможность размещения геттерных насосов и непосредственно в плазменной камере. Образцы, насыщенные водородом до флюенса 3 • 10²³ м^-2 (Е =12-30 кэВ), прочно удерживают его при воздействии этих излучений. Тлеющий разряд в водороде при напряжении 400 В и флюенсе 10²² м² также не ухудшает сорбционных характеристик геттера. Более того, после обработки разрядом и последующего обезгаживания наблюдается некоторое повышение быстроты действия.

Заманчивой представляется откачка изотопов водорода за счет эффекта аномально высокой проницаемости металлических мембран при неравновесном состоянии газа. При некоторых условиях независимо от толщины и температуры мембраны и давления газа проникающий поток сравним с падающим. Однако в настоящее время такая возможность не подтверждена достаточным числом экспериментов.

Усредненные характеристики перспективных для ТЯР насосов поверхностного действия приведены в табл. 2.5.

Благодаря широкому интервалу рабочих давлений и отсутствию селективности эффективное применение в действующих термоядерных установках нашли турбомолекулярные насосы. Однако в установках реакторных масштабов их применение в качестве основных средств высоковакуумной откачки вряд ли возможно из-за ограниченной единичной быстроты действия. В промышленных насосах она не превышает пока 20 м³/с, что, по-видимому, близко к предельному значению.

Таблица 2.5. Основные характеристики высоковакуумных насосов поверхностного действия

Турбомолекулярные насосы могут быть использованы для откачки в период вакуумно-технологической подготовки реактора, при регенерации насосов поверхностного действия, для откачки вспомогательных систем. При размещении турбо молекулярных насосов вблизи термоядерных установок необходимо обеспечить их надежную работу в магнитных полях. Вихревые токи, индуцируемые в роторе работающего насоса, приводят к нагреву вала и роторных дисков, их тепловой деформации и заклиниванию ротора. В среднем предельная температура ротора составляет 400 К, а допустимая магнитная индукция в местах расположения турбомолекулярных насосов 1 • 1*10² Тл (это значение может быть увеличено в несколько раз магнитной экранировкой насоса).

При использовании турбомолекулярных насосов для откачки реакторов возникают трудности, связанные с взаимодействием смазочных масел подшипников и трития. В процессе длительной откачки трития в маслах накапливаются тритированные продукты радиолиза, что приводит к изменению их физико-химических свойств и оказывает негативное влияние на работу насосов. Радикальный способ решения проблемы — перевод турбомолекулярных насосов на бесконтактные подшипниковые узлы различных модификаций. К настоящему времени промышленное развитие получили два типа турбомолекулярных насосов с бесконтактными подшипниковыми узлами — с магнитной подвеской ротора и газовы-