氘氚冷冻靶渗透室设计与实验

夏立东 陈绍华 李海容 龙兴贵 彭述明

(中国工程物理研究院 绵阳 621900)

氘氚冷冻靶渗透室设计与实验

夏立东 陈绍华 李海容 龙兴贵 彭述明

(中国工程物理研究院 绵阳 621900)

根据塑料靶丸高压渗透充气及冷冻的需求，设计了一套用于氘氚冷冻靶高压渗透充气的渗透室。渗透室采用双锥面密封结构，采用高压氦气驱动波纹管变形压紧渗透室实现密封，采用无氧铜做为密封材料，工作温度范围10—300 K，工作压力0—150 MPa。渗透室加工组装完成之后，进行了常温高压(0—150 MPa)、低温(20 K)承压检漏实验。实验表明，在经过多次高压循环之后，渗透室结构完好，无明显塑性变形，密封漏率满足使用要求。

冷冻靶 渗透室 漏率

1 引言

采用“高压渗透充气，然后冷冻、分层”的方法制备氘氚冷冻靶［1］，必然需要一套安全可靠的氘氚高压系统。渗透室是氘氚高压系统最为核心的部件之一，是靶丸高压充气的高压容器，需要承受最高达150 MPa的压力，并带压逐渐降温到氘氚三相点附近(约20 K左右)，在充气和降温的过程中保证氘氚气体不发生超出许可范围的泄漏。

高压氘氚系统中，一般采用螺纹压紧的双锥面密封结构［2］，采用退火无氧铜作为密封垫片。根据运行情况来看，该密封方式基本可以达到使用要求，密封漏率一般小于1.0×10-9Pa·m3/s，但偶尔会有少量泄漏发生。使用螺纹压紧方式密封锥面，由于使用人、螺纹状态等情况不同，每次的有效密封力量是不同的，不能保证密封的有效性和可靠性。另外，在相同温度下，作为密封材料的无氧铜的线胀系数比不锈钢大，降温过程中无氧铜收缩较大，有可能会导致密封实效。

为满足氘氚冷冻靶研制的要求，迫切需要研制一套高压渗透室，可安全工作于常温、低温循环，便于密封和低温操作，在常温下渗透室内充入150 MPa高压气体，密封漏率小于1.0×10-9Pa·m3/s;从室温到20 K低温的变温过程中，密封漏率小于1.0×10-9Pa·m3/s。

2 渗透室设计

2.1 渗透室结构设计

根据塑料微球高压渗透充气、冷冻的工艺需求，考虑变温过程中的密封要求，以及便于密封和低温操作，基于常用的双锥面密封结构，设计了结构如图1所示的渗透室。如图1所示，渗透室由渗透室内筒、渗透室外筒两个部分组成。其中，渗透室内筒由渗透室内筒体和密封堵头构成，如图2所示，透室内筒体和密封堵头密封形成的容积，是塑料微球充氘氚、冷冻的场所，渗透室内筒体与密封堵头之间的密封采用传统的双锥面密封结构，筒体锥面角度60°，密封堵头锥面角度40°。渗透室外筒固定在支架上，由渗透室外套、底座和密封波纹管构成，如图2所示，渗透室外套和底座为渗透室内筒提供支撑，密封波纹管充高压氦气后，驱动渗透室内筒体向下运动，压紧密封堵头，实现内筒的密封。

图1 渗透室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of permeation cell structure

图2 渗透室内筒、外筒结构图Fig.2 Schematic diagram of inner cylinder and outer cylinder of permeation cell structure

在不考虑渗透室筒体与外套之间摩擦的情况下，密封波纹管通过渗透室筒体上端受压面传递的密封压力与渗透室内被密封气体作用于密封面压力相等。假定，密封波纹管内气体压强P1，渗透室内气体压强P2，渗透室上端承压面积S1，密封面受压面积S2，则有如下公式成立:

显然，在S1大于S2情况下，可以使用较低的密封压力密封渗透室内的高压气体，通过设计渗透室上端承压面面积与渗透室密封面受压面积之比，可以调整需要的密封压力大小。其中，密封压力由波纹管内氦气压力决定，在氦气压力不变情况下，实际有效密封压力不变，密封性能不变;渗透室温度降低时，不断为波纹管补充压力，保持密封压力不变(氦气液化温度4.2 K，远低于设计要求的最低温度20 K)，实现有效密封。

2.2 渗透室内筒设计

根据上述设计的渗透室结构，按照塑料靶丸高压渗透充气的需求，设计了如图3、图4所示渗透室内筒体和密封堵头。

图3 渗透室筒体尺寸Fig.3 Inner cylinder size of permeation cell

图4 渗透室密封堵头尺寸Fig.4 Sealing plug size of permeation cell

2.2.1 密封压力计算

渗透室内压力为150 MPa，根据式(1)计算密封所用压力，渗透室顶端承压面直径86 mm，渗透室密封底座承压面直径17.81 mm，则波纹管内密封压力6.43 MPa。即密封波纹管内充入6.43 MPa氦气就可以密封渗透室内150 MPa高压气体，考虑到波纹管弹性强度、渗透室筒体与外套的摩擦等因素，并预留一定的安全系数，设计密封压力8.0 MPa，安全系数约1.25，如果密封压力10.0 MPa，则安全系数为1.55。

2.2.2 材料选择

渗透室需要长期工作在高压、低温、氢气氛的条件下，必须选择一种强度高、耐低温、抗氢脆的金属材料。GH4169沉淀强化合金钢在20-900 K范围内具有良好的综合机械性能，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，在低温下得到了广泛的使用［3］，其合金组成成分及部分机械性能数据如表1、表2。

表1 GH4169合金成分Table 1 Chemical composition of alloy GH4169

表2 合金机械性能数据Table 2 Mechanical performance data of alloy GH4169

2.2.3 强度校核

根据超高压压力容器设计规范，采用第四强度理论［4-5］对渗透室进行强度较核，如表3所示。表中所列公式中，Pd为设计压力，MPa;σeq为容器当量应力，

;σs材料屈服强度，MPa;Ps为容器内壁屈服压力，MPa;ns为内壁屈服安全系数;Pc为全屈服压力，MPa;nc为内壁屈服安全系数;Pb为爆破压力，MPa;nb为内壁屈服安全系数。

渗透室最高工作压力150 MPa，设计压力Pd=1.1×150=165 MPa;渗透室内外径比:

式中:K为内外径比，Do为外径，mm;Di为外径，mm。

表3 渗透室压力校核Table 3 Pressure check of permeation cell

从表3中可以看出，设计的渗透室在压力容器当量应力、内壁屈服压力、全屈服压力、爆破压力校核中，安全系数均超过设计准则要求。

3 渗透室性能考核实验

完成渗透室加工、组装之后，对渗透室进行了高压打压实验、高压漏率检测。实验采用了图5所示的低温制冷、检漏箱，渗透室被固定在制冷机冷头上，通过外接管道引入高压氦气及密封氦气，高压氦气由超高压氦增压系统提供，密封氦气由氦气钢瓶供给;采用氦质谱检漏仪实时监测渗透室泄漏漏率。

实验采用了无氧铜作为密封堵头进行了密封性能考核，其降温过程的压力变化、及对应的渗透室漏率如图6。在常温和降温过程中，无氧铜密封漏率在10-11Pa·m3/s量级水平及以下，当温度下降到约125-150 K区间时，密封漏率略有升高，最高漏率3.8×10-11Pa·m3/s。经过分析，认为可能是由于随温度降低波纹管硬化收缩，导致有效的密封压力下降，致使漏率发生一定的变化。

图5 高压检漏用低温制冷箱结构示意图Fig.5 Schematic diagram of cryogenic tank structure for high pressure leakage test

4 结论

图6 无氧铜密封，变温过程中渗透室压力及漏率变化Fig.6 Plot of pressure and leakage rate vs temperature using oxygen-free copper seal

根据氘氚冷冻靶制备的需求设计了高压渗透室，采用传统双锥面，结合波纹管压缩的密封结构，解决了常温高压(150 MPa)密封、低温高压密封、变温密封的技术难题;渗透室常温150 MPa、常温到降温过程中的密封漏率均满足设计要求。下一步将针对125-150 K温度区间出现的漏率上升的现象进行研究，并根据研究结果，采取相应的措施以消除漏率上升的现象。

1 彭述明，夏立东，龙兴贵，等.惯性约束聚变低温冷冻氘氚靶制备技术［J］. 原子能科学技术，2009，43(8):756-761.

2 陈绍华，龙兴贵，彭述明，等.微球充气工艺实验系统研制［J］.原子能科学技术，2008，42(9):861-864.

3 邓群，杜金辉，赵长虹，等.GH4169合金的低温性能［J］.钢铁研究学报，2011，23(supplement2):185-188.

4 陈国理，陈柏暖，王作池，等.超高压容器设计［M］.北京:化学工业出版社，1997.

5 郑津洋，黄冰，孙国有，等.欧美压力容器设计技术进展［J］.压力容器，2002，19(1):39-42.

Design and testing of permeation cell for DT cryogenic targets

Xia Lidong Chen Shaohua Li Hairong Long Xinggui Peng Shuming

(China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

In order to meet the need of filling and freezing of plastic targets，a permeation cell was designed for deuterium and tritium filling by permeation method.The permeation cell adopts double cone sealing structure and use high-pressure helium bellows to force the cell body downward to the oxygen-free copper plug to achieve seal，operating at 10—300 K and 0—150 MPa.After permeation cell was processed and assembled，the strict leakage tests at high pressure，room temperature and low temperature were done，which validating the leakage rate meet the sealing requirement.

cryogenic target;permeation cell;leakage

TB663

A

1000-6516(2013)04-0045-05

2013-05-13;

2013-07-18

夏立东，男，33岁，助理研究员。