Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5806

Abstract

Within the framework of the European Fusion Technology Programme, a primary vacuum pump for the ITER reactor is being developed. As the tritium accumulated by the pumps must be limited, short pumping cycles are necessary and as a consequence to that regeneration times of about 4 min only are required by the intermittently working cryopumps; approximately 60 s are available for the heating process from LHe temperature (4.2 K) to LN₂ temperature (77 K).

Methods for fast heating were tested in component tests. The heating tests were performed at the TITAN test facility. According to the basic planning, the LHe-cooled panel consisted of seven flow channels in quilted design (500 x 350 mm²); the detailed planning meanwhile showed that a smaller numbers of channels per panel will be sufficient. The panel was mounted in a LN₂-cooled rig, which worked as first pumping stage. After having worked out a screening study comprehensive test series with three different heating methods were performed.

At first fast heating using infrared radiation was investigated. The energetic coupling turned out to be too weak and the thermal inertia of the heating rods was found to be too high in order to ensure short regeneration cycles.

Good results were obtained with forced flow of warm helium gas in the cooling channels of the panel; the panel was driven at flow rates up to 5.5 g/s and elevated pressures up to 13 bar. Depending on the position of the temperature sensor, heating times of less than 50 s were determined.

Another method of fast heating was realized using resistance heaters, which were directly installed on the panel surface. Electric output was maximum 3 kW. It could be shown that even with reduced power of 2 kW, short heating times of less than 30 s were reached without any difficulty.

It could be demonstrated by these studies that fast regeneration of ITER cryopanels using appropriate methods is feasible and technical problems appear to be solvable. The electrical heating technique combines high flexibility and a very good controlling performance.

Tests zum schnellen Heizen für die Regeneration von ITER-Kryopumpen

Kurzfassung

Im Rahmen des 'European Fusion Technology Programme' werden Arbeiten zur Entwicklung einer Primärvakuumpumpe für den ITER-Reaktor durchgeführt. Weil das in den Pumpen akkumulierte Tritiuminventar begrenzt werden muß, sind kurze Pumpzyklen nötig. Somit ergeben sich für die diskontinuierlich arbeitenden Kryopumpen Regenerationszeiten von nur ca. 4 min; davon stehen für die Heizung von LHe-Temperatur (4.2 K) auf LN₂-Temperatur (77 K) etwa 60 s zur Verfügung.

In Komponententests wurden dazu schnelle Heiztechniken getestet. Die Versuche fanden in der Anlage TITAN statt. Wie im ursprünglichen Konzept festgelegt, wurde als Testgegenstand ein aus 7 Strömungskanälen bestehendes LHe-gekühltes Panel in 'quilted design' (500x350 mm²) verwendet. Im weiteren Planungsfortschritt ergab sich inzwischen, daß Panels mit weniger Kanälen ausreichen. Das Testpanel wurde in einer Umgebung bei LN₂-Temperatur eingebaut, die als erste Pumpstufe wirkt. Nach dem Erstellen einer Vorstudie wurden ausführliche Testreihen mit drei verschiedenen Heizverfahren durchgeführt.

Zunächst wurde die schnelle Erwärmung mit Infrarotstrahlung untersucht. Hier erwies sich die Ankopplung als zu schwach und die thermische Trägheit der Heizstäbe als zu groß, um kurze Regenerationszyklen zu gewährleisten.

Gute Ergebnisse wurden zum einen bei erzwungener Strömung mit warmem He-Gas in den Kühlkanälen des Panels erzielt. Dabei wurden Durchsätze bis etwa 5.5 g/s bei erhöhten Drücken bis etwa 13 bar gefahren. Abhängig von der Position des Meßfühlers wurden typische Aufheizzeiten unter 50 s ermittelt.

Zum anderen wurde die schnelle Erwärmung durch Widerstandsheizelemente erzeugt, die direkt auf der Paneloberfläche angebracht waren. Die elektrische Leistung betrug maximal etwa 3 kW. Es konnte gezeigt werden, daß schon mit einer reduzierten Heizleistung von 2 kW problemlos Heizzeiten kleiner 30 s erreicht werden.

Die Untersuchungen belegen, daß die schnelle Regeneration von ITER-Kryopanels bei Verwendung geeigneter Heizmethoden technisch problemlos zu bewerkstelligen ist. Die elektrische Methode verbindet eine hohe Flexibilität mit einer sehr guten Regelbarkeit.