真空容器

真空容器（vacuum vessel）是收纳核聚变等离子体的最内层大型容器。约束等离子体的磁场本身即使没有真空容器也能产生，但要真正点燃等离子体，首先必须把容器内部彻底抽成没有空气的状态。本页将循序渐进地理解：为什么需要超高真空、如何制造并维持这种真空，以及容器本身被赋予了哪些结构上的要求。

先建立直觉（高中水平）

用一句话来说，真空容器就是为了放入等离子体而准备的一间“极致洁净的空房间”。

为什么需要抽空呢？要引发核聚变，需要把作为燃料的氘和氚加热到约 1 亿度。然而，如果容器中还残留着空气，这些空气分子就会撞击等离子体夺走热量，好不容易加热的等离子体很快就会冷却。冷的等离子体不会发生核聚变，所以首先要把碍事的空气赶出去。

要抽空到什么程度呢？我们用身边的数字来感受一下。我们平时呼吸的空气，在 1 立方厘米（大约方糖那么大的体积）中就塞着约 2500 京个分子。在核聚变堆的真空容器里，要把它减少到这个数量的 100 亿分之一以下。这在地面上能制造出的真空里，接近于宇宙空间那样稀薄的状态。

还有一点很重要，那就是“杂质”。如果等离子体中混入了哪怕一点点燃料以外的重原子（例如从容器壁上剥落的金属原子），这些重原子就会强烈地放出光把热量丢掉。就像往干净的水里滴入一撮盐就会让整体变浑浊一样，少量杂质就会冷却整个等离子体。因此真空容器不仅要抽出空气，还要被彻底“打扫”，以防止壁面产生脏东西。通过加热或用放电清洗来完成这种打扫，就是烘烤（baking）和壁面调节。

此外，真空容器既是盛放等离子体的器皿，同时也是不让放射性物质泄漏到外部的“安全壁”。容器内部有放射线飞来飞去，作为燃料的氚具有放射性，因此容器被设计成能可靠地封闭这些物质的坚固金属外壳。

用物理来理解（本科水平）

表示真空好坏的量是压强。真空容器所追求的极限真空度约为 $10^{-5}\ \mathrm{Pa}$ 以下，这属于被称为超高真空（ultra-high vacuum）的范围。大气压约为 $10^{5}\ \mathrm{Pa}$ ，所以目标就是它的 100 亿分之一那样的稀薄程度。

压强 $p$ 用气体温度 $T$ 、单位体积的分子数（数密度） $n$ ，由以下关系联系起来。

p = n k_{\mathrm{B}} T

这里 $k_{\mathrm{B}}$ 是玻尔兹曼常数（ $1.38 \times 10^{-23}\ \mathrm{J/K}$ ）。这个式子表明压强与“分子塞得有多密”成正比。在室温（ $T \approx 300\ \mathrm{K}$ ）下代入 $p = 10^{-5}\ \mathrm{Pa}$ ，可得数密度约为 $n \approx 2.4 \times 10^{15}\ \mathrm{m^{-3}}$ ，也就是每 1 立方厘米降到约 24 亿个。前面所说的大气 100 亿分之一这一直觉，从这个式子中得到了定量的确认。

杂质之所以如此被厌恶，也能用物理来解释。等离子体中的杂质离子每次与电子碰撞时都会放出光（辐射）而损失能量。这种辐射损失的功率大致以强于杂质电荷数 $Z$ 的 2 次方的方式依赖于 $Z$ 。也就是说，像铁（ $Z = 26$ ）或钨（ $Z = 74$ ）这样的重元素，与氢（ $Z = 1$ ）相比会强烈发光高出好几个数量级，只要混入极少量就会冷却等离子体。正因如此，抑制壁面重元素混入的超高真空和壁面调节才不可或缺。在选择面向等离子体材料时，这种辐射损失也是核心议题（详见第一壁）。

制造超高真空的主角是真空排气系统。首先用粗抽泵把压强从大气压降到中真空，然后交接给高真空泵。核聚变堆中常用的高真空泵有以下 2 种。

涡轮分子泵（turbomolecular pump）用每分钟旋转数万转的叶轮，机械地把气体分子弹飞出去来排气。它在分子平均自由程比容器尺寸更长的分子流区域高效工作，能稳定地排出各种气体。

低温泵（cryopump）是把气体分子冻结在被冷却到极低温（数 K 至 20 K 左右）的表面上加以捕获的泵，可谓“在冷面上结霜以减少空气”。它的排气速度非常大，适合作为核聚变堆的主排气。ITER 也采用了大排气量的低温泵。不过捕获的气体迟早需要再生（加热并释放），在处理作为燃料的氚的核聚变堆中，把这种再生与燃料回收结合起来的运行设计就变得很重要。

深入理论（研究生水平）

使超高真空难以实现的本质，与其说在于从外部漏入的气体（泄漏），不如说更在于从容器内侧释放出来的气体。极限真空度由有效排气速度 $S$ 与放气的总流量 $Q$ 之间的平衡决定，平衡压强大致由

p = \frac{Q}{S}

给出。这个式子表明，即使把泵做大以提高 $S$ ，只要 $Q$ 很大，真空度就会到顶。像核聚变堆这样内表面积极其巨大的容器， $Q$ 的主要来源是室温下从表面的放气（outgassing），尤其是吸附在金属表面的水分子，以及溶入材料内部的氢的扩散释放。

在这里起作用的就是烘烤。把整个容器加热到 200 度左右，吸附在表面的水分子的脱附就会以指数方式加速，在加热期间大量释放并抽干净。冷却后由于表面已经变干净，放气流量 $Q$ 大幅下降，于是才能首次达到超高真空。降低极限压强，不仅是提高 $S$ ，更是降低 $Q$ 的工程，这就是这个领域的关键所在。

即使用烘烤除去了水分，要制造出适合等离子体运行的壁面状态，还需要壁面调节。代表性的方法是辉光放电清洗（glow discharge cleaning），即立起微弱的放电轻轻敲击壁面，把吸附的杂质敲出来并排走。此外硼化（boronization）会在壁面表面形成硼的薄膜。硼具有捕获氧的作用，可抑制氧混入等离子体，并使来自壁面的氢再循环更易于控制。这些都是磁约束装置中日常进行、左右等离子体性能的运行技术。

从结构设计的角度看，真空容器必须同时满足多个相互矛盾的要求。第一，作为承受内外压差（外为大气压，内为真空）的压力容器的强度。第二，对等离子体电流突然消失这一现象即破裂（disruption）时产生的巨大电磁力的耐受性。破裂时，容器的金属壁上会感应出涡电流，它与强磁场干涉产生巨大的力。此外，从等离子体流入壁面的晕电流（halo current）也是电磁力的成因。这些载荷通过提高容器的刚性来承受。ITER 的真空容器之所以采用具有内壁和外壁的双壁结构，是为了用肋板把两壁连接起来，兼顾刚性与屏蔽性能。第三，它还起到把超导线圈保护起来免受中子和伽马射线影响的辐射屏蔽作用，两壁之间填充有屏蔽材料。关于被保护的线圈，请参见超导线圈。

此外，真空容器作为封闭放射性物质的安全边界（safety boundary），还被要求进行抗震设计，以便在地震等外部事件下也能保持完整性。结构材料采用了兼顾强度与低活化的氮添加不锈钢（ITER 中为 SUS316L（N）-IG），面向未来的发电堆则在研究应用低活化铁素体钢（RAFM）。

研究前沿（博士水平）

真空容器看似是成熟的工程，实际上却怀抱着许多面向实现核聚变发电的未解课题。

ITER 的真空容器高约 11 m、大半径约 6 m，本体质量约 5,000 吨，若包含屏蔽材料和端口结构则达到约 8,000 吨级，是迄今为止建造的核聚变真空容器中世界最大规模的。把如此巨大的容器分成若干扇区制造，再在现场焊接连成一个环面，这件事本身就是巨大的工程挑战。为了在抑制焊接变形的同时满足保证超高真空的严格泄漏率要求，焊接技术和精密的尺寸管理成为研究对象。ITER 的整体定位归纳在 ITER 项目中。

最大的研究课题之一是远程维护（remote maintenance）。持续运行的核聚变堆容器内部会被中子活化，达到人无法进入的高剂量。因此，包层和偏滤器的更换、检查、修补等所有维护作业，都必须用遥控机器人来进行。在狭窄而错综复杂的环面内精确操作重物的遥控设备的开发、作业可靠性的确保、避免受照的更换流程的确立，都作为左右发电堆可用率（availability）的重要课题在推进研究。

在真空排气方面，用低温泵捕获作为燃料的氚之后如何回收和循环、如何把大排气量与燃料循环整合，也是课题。此外，由于发电堆会长期暴露在更高的中子环境中，因此正在研究能够耐受结构材料因辐照而产生的特性变化的材料选择，以及以此为前提的容器设计。阅读论文时，vacuum vessel、ultra-high vacuum、outgassing、baking、glow discharge cleaning、boronization、disruption、halo current、eddy current、remote maintenance 等英语关键词会频繁出现。

理解自测

第 1 题在核聚变堆的真空容器中，为什么必须先抽出空气达到超高真空？

第 2 题用压强公式 p = n kB T，如何说明超高真空（10 的负 5 次方 Pa）的含义？

第 3 题当极限真空度由 p = Q/S 决定时，烘烤主要作用于哪个量？

第 4 题硼化是为了什么而进行的？

第 5 题为什么真空容器需要远程维护？