Systèmes à vide pour installations de fusion thermonucléaire

Abstract
Thermo-nuclear plants set a special standard with respect to the vacuum system. To date all over the world fusion plants either in operation or in the design stage are built according to the TOKAMAK principle. Confirming our consideration to this type of plant the vacuum vessel is of toroidal shape of a few meters in diameter; the effective volume amounts to about 10 to 200 m3. Thus the inner surface area is 10 to 103 m2. We are not dealing however in this paper with the special requirements on the properties of the surface of the inner wall, but intend to discuss the pump units that are needed for operating the TOKAMAK vacuum tank. The gas to be pumped is usually hydrogen, the required ultimate pressure in the cleaning phase of the tank is about 10-10 mbar, with the TOKAMAK in operation 10-7...10 -9 mbar. The absence of hydrocarbon is extremly important in order to avoid contamination. Pumping speeds required are about 104 ...10 5 l/s for the tank where the experiments are carried out and 10 5 ... 106 1/s for the injectors. The vacuum will be provided by two systems: a) the fore vacuum system which consists of mechanical fore-pumps and roots pumps, and of turbomolecular pumps which produce the hydrocarbon-free fore-vacuum of a few 10-5 up to 10-4 mbar. b) The high-vacuum system which in most cases operates independently of the fore-vacuum system. In small test systems turbomolecular pumps were used, but also cryopumps and titanium evaporator pumps. In larger plants almost exclusively cryopumps were used; these are discussed in detail. A special requirement conceming the high-vacuum system is its ability to cope with pulsed operation of the fusion plant. The injectors - as used in fusion plants - require, confined to a small space, very high pumping speeds, that can be produced only by cryopumps. Our report includes the discussion of various types of such pumps presently under construction.

Résumé
Les exigences relatives aux systèmes à vide pour les installations de fusion thermonucléaire sont très poussées. A l'heure actuelle, le monde entier projette ou utilise déjà des installations de fusion conçues pour la plupart d'après le principe TOKAMAK. C'est pourquoi nous nous limiterons dans cet exposé à ce modèle. L'enceinte à vide de ces installations a une géométrie toroïdale de quelques mètres de diamètre, le volume de travail étant donc de l'ordre de 10 à 200 m 3, les surfaces de 10 à 103 m2. Nous ne parlerons pas des exigences particulières relatives aux parois de ces enceintes mais plutôt des groupes de pompage nécessaires à leur fonctionnement. En général, le gaz à pomper est de l'hydrogène, la pression limite dans la phase de nettoyage de l'enceinte est d'environ 10-10 mbar et, dans la phase de fonctionnement, d'environ 10-7 à 10-9 mbar. Le groupe de pompage doit créer un vide pratiquement exempt d'hydrocarbures pour que l'enceinte ne soit pas contaminée. Les débits requis sont de l'ordre de 104 à 105 1/s pour l'enceinte d'expérimentation et de 105 à 106 1/s pour les systèmes d'injection. Le vide est créé par deux systèmes : un groupe de pompage primaire constitué de pompes primaires mécaniques avec dépresseurs Roots et de pompes turbomoléculaires qui ont pour rôle de garantir un vide primaire de quelques 10-5 à 10-4 mbar exempt d'hydrocarbures. Le second système est un groupe de pompage à vide poussé fonctionnant dans la plupart des cas indépendamment du premier. Dans les petits postes expérimentaux, on emploie des pompes cryostatiques ou des pompes à sublimation de titane. Dans les grosses installations, on n'utilise presque exclusivement que des pompes cryostatiques dont nous parlerons en détail. Le groupe de pompage à vide poussé doit en outre répondre aux exigences du fonctionnement par impulsions des installations de fusion thermonucléaire. Pour les systèmes d'injection prévus dans les installations de fusion thermonucléaire, on a besoin de débits extrêmement élevés sur un petit espace de sorte que seules les pompes cryostatiques entrent en ligne de compte. Nous verrons différentes pompes qui sont actuellement en construction.