用于 WENDELSTEIN 7-X 的真空解决方案

世界上最大的仿星器类型实验核聚变反应装置“Wendelstein 7-X”自2015 年 12 月开始已在德国格利夫斯瓦尔德的马克斯·普朗克等离子体物理研究所 (IPP) 投入使用。该反应装置用于进行产生氢等离子体的实验，适合于核聚变发电站的连续运行。从长远来看，核聚变产生的能量被看作一种清洁的替代发电方式。Wendelstein 7-X有助于研究仿星器原理可用于发电站的范围。在 2016 年 3 月底完成第一个运行阶段后，反应装置正在升级并准备进行第二批次的系列实验。真空技术是反应装置的基本组成部分：实验只能在超高真空条件下进行。普发真空在反应装置真空系统的设计、实施和运行上已经与格利夫斯瓦尔德 IPP 的科学家们密切合作多年。

2016 年 8 月，普发真空项目团队和普发真空股份有限公司管理层成员 Ulrich von Hülsen 博士参观了格利夫斯瓦尔德的实验聚变反应装置。在参观期间，团队询问了第一个运行阶段的进展情况、普发真空产品的使用情况以及第二阶段的需求。

普发真空采访马克斯·普朗克等离子体物理研究所 (IPP) 真空组负责人 Heinz Grote 博士：

Grote 博士，Wendelstein 7-X 自 2015 年 12 月开始投入使用。实验的第一阶段非常成功。您能告诉我们自实验聚变反应装置投入使用以来取得的成果吗？

在 2016 年 3 月 10 日结束的第一个运行阶段中，我们首先从氦气中生产了约 2,200 次等离子体放电，然后从 2016 年 2 月开始从氢气中产生等离子体放电。最初，重点关注技术放电以清洁等离子体容器或检查所有机器系统的互动 — 超导磁体、冷却系统、微波加热、诊断系统、真空系统和机器控制等。然而，即使在早期阶段，大部分的等离子体放电也已被用于物理研究，例如：评估已经针对Wendelstein 7-X 特别优化的磁场约束特性、限制器的热负荷分布

以及外部匀磁线圈的影响。

起初，氢等离子体的放电时间为半秒，但最后我们已经达到了六秒的放电时间。在 4 MW 的微波加热功率下实现了持续 1 秒、具有最高温度的等离子体。对于中程等离子体密度，我们可以测量温度为 1 亿摄氏度的等离子体电子以及温度为 1 千万摄氏度的离子。

第一个实验阶段的结果对于 Wendelstein 项目以及核聚变为电力生产所产生的能源的计划使用有什么意义？

关于磁场配置的实验对于目前对 Wendelstein 7-X 等离子体容器进行的修改很重要。到 2017 年夏天，要安装约 6000 个不同形状的碳板用于保护容器壁以及所谓的偏滤器，精度要小于一毫米，以便可以在下一个运行阶段对更高容量、更长时间的等离子体放电进行研究。使用磁场的等离子体约束有两个方案：托卡马克装置和仿星器。Wendelstein 7-X 是一种仿星器，用于证明仿星器的关键优势— 在电站所需的等离子体条件下连续运行。它还应该表明其等离子体约束特性现在与托卡马克装置的等离子体约束特性相当。从Wendelstein 7-X 获得的知识将有助于更好地了解聚变发电站等离子体的物理基础。

Wendelstein 7-X，因此还有众多实验，离开真空技术则无法运作。请为我们解释为什么真空是必要的。

Wendelstein 7-X 的核心是超导磁线圈系统，可以实现可能的高温等离子体磁场约束，这是实验的真正课题。这些磁性线圈用液态氦在接近绝对零度（约 -269°C）的温度下工作。因此，最重要的真空系统负责保持低温恒温器中最低可能的热传导水平。压力必须保持在 1 · 10-5 mbar 以下。这里最大的挑战是 20 个隔热层的脱气面积大小 — 大约 100,000 m²。通过五个涡轮分子泵和对应的前级泵系统，我们在室温下达到了 1 · 10-4 mbar。冷却后，冷却表面随后用作大型冷冻泵，有助于将总压力降低至 3 · 10-7 mbar。

然后通过引入少量的氢、氘或氦，在低温恒温器内的超高真空容器中产生等离子体，其基本压力为约 1 · 10-8 mbar。压力在几个10-5 mbar 范围内同时增加。产生的气体量为 50 – 100 mbar · l/s，必须由专门为此用途而设计的泵系统处理。这包括 30 个涡轮分子泵和 10 个调整适合的前级泵系统。

除了两个主要真空系统外，双密封系统中的空间、实验期间的气体供应、高频加热系统、中性粒子加热系统、各种等离子体诊断过程以及用于产生和运输液氦的冷却系统都需要若干个真空发生系统。

您在系统中使用哪些普发真空产品？是什么使您选择了普发真空的解决方案？

对于主要真空系统，我们决定使用普发真空的 HiPace 2300 C 和UC 涡轮分子泵。在我们的系统中，涡轮分子泵在几毫秒内就发生变化的强交变磁场附近工作。为此，使用主动磁悬浮转子的解决方案不是很好的选择。HiPace 2300 的圆盘转子与其两个相互间隔的轴承在经受变化的力时提供机械上最稳定的结构。永久磁轴承在高真空侧，从而确保在这个位置上的免润滑操作。轻质气体的抽速值也是决定性因素。

五台 HiCube Eco 泵组用于在超导线圈的电源线上产生绝热真空。在某些情况下，还必须在杂散磁场附近测量压力。这就是为什么我们在高真空中的每个测量点（共 65 个）使用普发真空带 TPG 300的 RPT 100/RPT 200 压电/皮拉尼真空计和 IKR 070 彭宁计组合，因为这些设备已被证明可以承受这些杂散场。它们也可以轻松地集成到我们的控制方案中。

对于低温恒温器和等离子体容器中的残余气体分析，我们使用普发真空 SPM 220 镀膜工艺监测器，它也可在高压范围内工作。

此外，还委托 Trinos Vakuum-Systeme 制造了用于超高真空、高真空和前级真空系统的大部分定制管道和连接部件。许多诊断系统具有特殊的汲取管，用于通过采样管将其装置直接插入等离子体容器中，这些管道在一些情况下为两米长。

您如何评价与普发真空的合作？

从第一次咨询到投标准备和项目执行，我们与现场工作人员的合作一直非常专业。特别是在真空室的情况下，由于我们的安装空间非常有限导致外部限制因素的变化，我们经常不得不在后期提出特殊要求或更改，我们还在哥廷根拥有制造连接部件的直接联系合作伙伴。

也许与你们的其他客户不同，我们将目前运行的泵和测量系统视为我们实验的一部分。因此，当出现具体问题时，我们特别高兴能够与你们开发部门的员工直接交谈，他们总是愿意倾听我们的意见。

当在个别系统调试过程中出现问题或者在正常运行过程中出现问题的时候，用于解决问题的服务工作总是快速地进行，我们的工作人员经常能够从中有所收获。

您正在为第二个实验阶段做准备，并对 Wendelstein 7-X 进行相应地配备。将对系统进行什么调整吗？

首先，完成等离子体容器内壁的包层，并安装特殊部件（偏滤器），以便能够吸收更高的功率和粒子通量。这导致等离子体的热输出和放电时间增加。使用乙硼烷的操作也配备了用于等离子体容器的气体供应和真空系统。需要这种气体来调节等离子体容器的内壁，由此在辉光放电中将硼沉积在内壁上。这随之降低了实验等离子体中的氧含量。对真空系统控制装置进行调整的时候，绝对有必要特别强调安全性改进，因为乙硼烷是可燃、有毒的，因此不允许其逸出到周围区域中。此外，彻底检修了已经在运行的一些诊断系统并重新安装了其他系统。

Wendelstein 7-X 第二个实验阶段对哪些普发真空产品感兴趣？

我们目前正准备从普发真空订购新的 HPA 200 质谱仪，用于之前提及的使用乙硼烷的操作。

非常感谢您接受采访！

有关 Wendelstein 7-X 以及采用的普发真空解决方案的更多信息，请参见我们网站上标题为“像太阳那样产生能量”的应用报告。

https://www.pfeiffer-vacuum.com/application-reports/