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核聚变是一种清洁能源，能够产生大量的能量，而且不会对环境造成污染。然而，要实现核聚变，需要在高温和高压的条件下进行，这就要求使用真空技术来达到所需的环境。真空室是实现核聚变的关键设备之一。在真空室内，需要达到超高真空度，以防止等离子体污染。等离子体是核聚变过程中的主要物质，如果受到污染，就会影响核聚变的效果。 一、可控热核聚变能的研究主要有两种：磁约束核聚变和惯性约束核聚变 磁约束核聚变（MCF）装置由一个环形的真空室以及相应的环形线圈构成。当电流通过这些线圈时，便会产生一个强大的螺旋形磁场。这一过程利用了强磁场能够有效约束带电粒子的属性，从而将氘和氚这两种气体在真空的磁场容器内进行约束，并进一步加热至数亿摄氏度的高温状态，以此来实现核聚变反应。
惯性约束核聚变（ICF）则是通过使用超高功率的激光器在极短的时间尺度上对氘氚靶标进行照射，从而促成聚变反应。在这一过程中，将数毫克的氘氚混合气体或固体材料填充入氘氚靶标中。通过从外部均匀地射入激光束或粒子束，靶标的表层因吸收能量而发生蒸发，向外膨胀，而其反作用力则导致靶标的内层向中心压缩。这种内层的压缩使得靶标内部的氘和氚受到极大的压力，并且温度也急剧上升。当温度升高至满足点火条件的临界点时，氘和氚在真空的反应室内引发爆炸，由此产生的蒸汽和热量转化为热能。同时，生成的氚可以被回收并作为燃料用于下一个循环。整个爆炸过程极为短暂，仅持续几万亿分之一秒。如果这样的爆炸能够持续进行，其释放的能量将是极其巨大的。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory - LLNL）构想的激光惯性约束核聚变反应堆示意图 二、磁约束核聚变过程中的真空应用
麻省理工学院的阿尔卡特C-Mod装置内部真空腔体 三、惯性约束核聚变过程中的真空应用
四、解密国际热核聚变试验堆（ITER）的真空结构从某种意义上来说，ITER就是一个迄今为止最大、最复杂的高真空系统。可靠的真空是ITER项目成功的关键。
托卡马克装置示意图 真空室 真空室是实现核聚变的关键结构，它负责在聚变过程中容纳并约束高温的燃烧等离子体。这个空间不仅是等离子体直接活动的区域，而且需要为室内的各个组成部分提供稳固的支撑。在反应器的运行过程中，无论是正常还是异常状态，真空室都必须承受由此产生的重力、压力和电磁力等多种力量。 该真空室是一个国际合作的成果，由欧洲、韩国和俄罗斯共同制造，配备了44个外部接口，这些接口使得控制系统能够有效地监控内部情况。真空室内壁采用不锈钢材质，并特别覆盖了一层防辐射材料，用以隔离由聚变反应产生的辐射。构成真空室的部件中，有4个部件由韩国提供，5个来自欧洲，而特殊的端口结构则是俄罗斯制造的。 具体到ITER项目中的真空室，它采用双层不锈钢结构设计，呈中空环形。其外径达到19.4米，高度为11.3米，内部空间的尺寸为高10263毫米、宽5460毫米。整个真空室由9个相同尺寸的扇形模块构成，每个模块占据40度的圆周。这些模块的截面呈“D”形，内外层壳体各有60毫米厚，两层壳体之间的距离从300毫米到800毫米不等。
真空室内部有基本的室内部件和可置换的部件，包括孔栏、加热天线、包层模块、试验包层模块、偏滤器模块以及诊断模块等。这些部件需要通过容器上的窗口进入容器内部再进行安装。真空室上开有三层窗口，分别为上部窗口、赤道窗口和下部窗口。 事实上，为了使国内的工程设计人员掌握相关的设计与分析技术，为国内的托卡马克装置设计建造积累经验，国内也启动了相关的配套项目，而首先开展的就是真空室的结构分析工作。 真空杜瓦ITER的真空杜瓦，也被称作低温恒温器，充当着托卡马克装置中真空室以及限制高温等离子体的超导磁体的“保温层”。这个巨型真空杜瓦由不锈钢材料打造，整体重量高达3850吨，其中仅基座的重量就达到了1250吨，成为ITER项目中最重量级的单个部件。就尺寸而言，真空杜瓦的高度为30米，直径为30米，内部体积约为16000立方米，堪称迄今为止最大的不锈钢真空压力容器。 作为ITER装置中不可或缺的关键部分，真空杜瓦由顶盖、上环体、下环体和基座四个主要部分组成，这些部分通过焊接或使用螺栓的方式紧密结合，形成一个完整的结构。
除了确保系统运行期间拥有一个恒定的真空环境外，杜瓦还肩负着在诸如氦气泄漏或等离子体瓦解等紧急情况下维护整个设施安全的重要职责。 屏蔽包层的高温氦检漏位于真空室与第一壁板间的屏蔽包层主要承担中子屏蔽的作用，它对真空室及外部设备起到了至关重要的保护效果。ITER的屏蔽包层由440个模块构成，其中中国方面负责生产和制造了占总数一半的220个屏蔽模块。 为了确保屏蔽包层的安全性和功能性，每个屏蔽模块都必须经过高温氦检漏这一前沿科学领域的测试。ITER的热氦检漏系统由真空系统和高压系统两大主要部分构成。其中，真空系统负责在检漏过程中进行抽真空和加热操作，而高压系统则负责供应高温高压气体。 该部分真空系统的真空泵系统由以下组件构成：分子泵组、前级泵组以及粗抽泵（包括1台流量为1600L/s的复合分子泵、1台流量为15L/s的前级泵和2台流量为70L/s的粗抽泵）。经过10小时的抽气，可以达到满足真空室工作要求的压力水平。在无负载的冷态条件下，真空度可以达到10^-6 Pa的量级；而在高温条件下，真空度可以达到10^-5 Pa的量级。真空室的关键技术指标详见下表，而真空系统的结构则见下图。 
真空泵系统是真空获得的关键设备，在整个热氦检漏系统工作前、工作过程中和工作后，都能对检测系统的真空度进行控制。通过在主泵和前级泵之间串联二级分子泵，可大大提高主泵出气口的气体压力，相当于增加了泵组的压缩级数，提高泵组对气体的压缩比，因而提高了泵组对氦气和氢气分子的排气能力，通过一段时间的排气后，真空室内参与氦气及氢气显著减少，从而提高真空室真空度及降低本底漏率。 参考链接： |
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