王先進 ，牛小飛，胡傳飛 ，2，白 峰，2，張 鵬，羊永徽 ，郭曉虹

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

ADS注入器II氦低溫系統(tǒng)真空隔斷設計

王先進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.中國科學院近代物理研究所，蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049）

在超導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構設計，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)下的溫度及熱應力分布，驗證了真空隔斷結構設計的合理性。該設計為后續(xù)優(yōu)化及大型氦低溫系統(tǒng)真空隔斷設計提供了一定的參考依據(jù)。

ADS低溫系統(tǒng)；真空隔斷；結構設計；熱力耦合分析

0 引言

加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS，Accelerator Driv?en Sub-critical System），以加速器產(chǎn)生的高能強流質子束轟擊靶核（如鉛等）產(chǎn)生散裂中子，作為外源中子驅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，被國際公認為核廢料處理的最有效手段。

中國科學院于2011年啟動了“未來先進核裂變能”戰(zhàn)略性先導科技專項，其中ADS嬗變系統(tǒng)作為其兩大部署內容之一，中國科學院近代物理研究所承擔了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值超導加速段等部分組成，最終將質子加速到25 MeV高能引出。超導腔是超導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，制冷機產(chǎn)生的液氦分別經(jīng)過閥箱和低溫管線，進入低溫恒溫器、浸泡冷卻超導設備。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液氮進液、80 K氮氣回氣管、4.5 K液氦進液、4.5 K氦氣回氣管，分支管路比主管路多1根液氦預冷管道（共5根）。液氦管道主要用于冷卻超導腔，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)的主要設備如低溫管線和低溫恒溫器等，均采用多層真空絕熱結構[2]，即在低溫設備上包扎多層絕熱材料（MLI），并增設液氮冷屏，以減少漏熱。

在低溫系統(tǒng)各設備中，不同設備的真空度需求并不相同。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，所需要的抽真空設備會增多，漏點會增加，當某一處發(fā)生泄漏或者破壞真空環(huán)境時，將給維護工作帶來很大的困難。因此在低溫系統(tǒng)中，合理地設置真空隔斷，將不同設備的真空隔絕開，將極大地方便檢漏與維護，大幅減少系統(tǒng)恢復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)的結構，以及加速器系統(tǒng)分段調試的要求，將真空隔斷設置在與恒溫器連接的低溫管線的分支管路上。

2 真空隔斷結構設計

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構，低溫管道需從真空隔斷上穿過，內管道是低溫，外管道是室溫，因此，將真空隔斷設計成多層真空絕熱的型式，是減小熱負荷的有效方式。內外管道之間抽真空以減少對流傳熱和殘余氣體導熱，并設計了JACKET夾層[3]，通過增加長度來增大導熱熱阻。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計[5]，硬管真空隔斷有一定的技術優(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，當接管較短時，無需專門的支撐結構。在低溫管道上，設置波紋管補償冷縮變形，使得硬管支撐段的距離盡量小，以減少附加重力對管線強度的影響。

真空隔斷結合多通道管線，進行布置。在多通道管線中，內部液氦管尺寸內徑為Φ14 mm，氣氦管內徑為Φ28 mm，液氮管和氣氮管內徑均為Φ30 mm，冷屏內徑為Φ175 mm，外部管道內徑為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。真空隔斷的結構示意圖如圖2所示。

圖2 真空隔斷結構示意圖Fig.2 Diagram of Vacuum barrier

真空隔斷的漏熱包括沿真空隔斷的導熱漏熱、輻射漏熱以及殘余氣體導熱。在真空隔斷中，沿真空隔斷導熱是主要漏熱。夾層的長度與厚度的選擇需兼顧漏熱與強度的要求，內夾層連接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，真空隔斷設計氦管路的漏熱與此相當，設計需保證氦管漏熱≤0.5 W，氮管路漏熱≤3 W，根據(jù)式（1）、式（2）進行粗選型：

導熱漏熱：

導熱熱阻：

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

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

式中：p為設計壓力；D0為內筒體內徑；σ為材料的許用應力；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)生熱應力。求解熱應力，既要確定溫度場，又要確定位移、應變和應力場。通常熱應力的求解步驟為：（1）由熱傳導方程和邊界條件求出溫度分布；（2）由熱彈性力學方程求出位移和應力。為驗證結構設計的合理性，基于ANSYS Workbench對真空隔斷結構進行有限元分析，獲得其溫度分布、漏熱大小及應力分布狀況[7]。

3.1 熱分析

真空隔斷的傳熱方式主要是導熱，輻射（＜0.05 W）和對流換熱及殘余氣體導熱可以忽略不計。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，低于參考氣候條件下的露點溫度（常溫、相對濕度60%），不會出現(xiàn)結露現(xiàn)象。

3.2 熱應力分析

真空隔斷的典型工作狀況包括三種：（1）正常工作狀態(tài)，即真空隔斷兩側均為真空（真空度＜1.0×10-3Pa）；（2）恒溫器側破壞真空度，即恒溫器側正常破壞真空度或故障破壞真空度；（3）低溫管線主管側破壞真空度，即低溫管線側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。當某一側破壞真空度時，在溫度來不及改變的情況下，熱應力最大，因此在熱應力的分析過程中，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力和自身重力，分析結果如圖4、圖5所示。真空隔斷正常工作態(tài)的最大等效應力為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 恒溫器側破壞真空度分析

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

圖6 恒溫器側破壞真空度時Von-Mises應力圖Fig.6 Von-Mises stress of vacuum break of cryomodule

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

3.2.3 主管側破壞真空度分析

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

圖8 主管側破壞真空度時Von-Mises應力圖Fig.8 Von-Mises stress of vacuum break of main pipe

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

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

3 結論

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構，隔絕不同系統(tǒng)之間的真空，并盡量減少氦系統(tǒng)漏熱。理論分析的結果表明，該結構無論是漏熱還是結構安全性，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，說明設計是合理的。該真空隔斷的設計與分析，為后續(xù)大型氦低溫系統(tǒng)類似結構設計以及進一步優(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)設計[J].強激光與粒子束，2015，27（11）：249-253.

[2]肖志宏，汪榮順，石玉美，等.應用逐層傳熱模型分析高真空多層絕熱中的傳熱過程[J].真空科學與技術學報，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.

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[6]丁伯民，蔡仁良.壓力容器設計[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《真空與低溫》雜志從2018年起由64頁增加為72頁。隨著稿源質量和數(shù)量的增加，及時調整《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、審稿專家和領導的大力支持。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。

（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（國內配套研究）“聚變材料研究用小型高通量高能氘鈹中子源關鍵問題”資助（2014GB104000）

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