The J.E.T. (Joint European Torus) vacuum vessel

Abstract
The large vacuum vessel of the J.E.T. (Joint European Torus) experiment has been designed as an all metal composite torus of non-circular cross-section. To comply with mechanical stability and ultra high vacuum requirements it has been designed as a completely welded fabrication. The metal structure consists of 32 rigid and wedge-shaped sections (equal in number to the B TOR field coils) which in turn are joined together by parallel bellows to form a torus. The rigid sectors are of box type construction suitably ribbed to withstand the stresses imposed upon them by the external forces. The bellows linking these rigid sectors determine the electrical resistance of the metallic vacuum vessel the long way around the torus, since currents which are induced in parallel with the plasma current should be kept as low as possible. All forces acting on the vacuum vessel are absorbed by the rigid sectors which also incorporate the openings to the interior of the machine, such as ports for pumping, diagnostics, auxiliary plasma heating, etc... This toroidal vacuum vessel has been designed as a double walled structure with the bellows linking the rigid sectors being fitted as pairs, and it is proposed to circulate hot inert gas through out this interspace in order to raise the temperature of the whole vacuum vessel to 500 °C to achieve bakeout conditions which will assist in reaching the required base pressure of 10-10 torr. In order to protect external apparatus from this bakeout temperature the outside of the vacuum vessel will be thermally insulated. Much consideration has been given to the choice of materials from which to construct this vacuum vessel. Stress conditions at elevated temperatures and electrical requirements indicate that one of the most suitable materials would be in the high content nickel alloy range. The final choice was to use Inconel 600 (a trade name of Huntington Alloys, USA) or Nicrofer 7216 (a trade name of Vereinigte Deutsche Metallwerke FRG) for the rigid sectors and Inconel 625 (Nicrofer 6020) for the bellows, the latter material having the required electrical resistivity. The horizontal ports lying on the equitorial plane are connected to pumping boxes which in turn form locations for the turbo molecular and cryopumps. They also provide maximum access to the interior of the vacuum vessel for the beams of energetic neutral particles proposed for additional plasma heating. The vacuum vessel has been so designed that all the stresses are taken by the rigid sectors, whilst the radial inward directed forces are transmitted to and supported by a modular restraint ring which acts as an arch type of structure transmitting pressure forces of 100 tons between adjacent rigid sectors. The forces acting on the vacuum vessel are due to the atmospheric pressure during normal operation and during bakeout operations at 500 °C, the electro magnetic forces due to eddy currents which are induced in the metallic structure when the magnetic fluxes linking the vacuum vessel change with time, and the thermal stresses arising for expansion of the vacuum vessel during the baking and during experimental operation.

Résumé
La chambre à vide du JET (Joint European Torus) machine de grandes dimensions a été conçue en forme de tore à section non circulaire et entièrement métallique. Pour répondre aux conditions de stabilité mécanique et aux exigences de l'ultra vide l'ensemble est complètement soudé. Le tore est composé de 32 secteurs rigides (correspondant au nombre de bobines de champs toroidal) reliés entre eux par des souffiets à bords parallèles. Les secteurs rigides sont à doubles parois solidement entretoisées de manière à former un caisson résistant aux efforts extérieurs. Les souffiets assurant la liaison entre ceux-ci déterminent la résistance électrique autour du tore, le courant induit dans la chambre à vide en parallèle avec celui du plasma devant être aussi faible que possible. Tous les efforts appliqués sur la chambre à vide sont pris par les secteurs rigides qui comportent en outre toutes les ouvertures sur l'intérieur de la machine, telles que queusots pour le pompage, diagnostics, chauffage additionnel du plasma... Cette chambre à vide toroidale a été conçue à doubles parois pour les secteurs rigides ainsi que pour les souffiets qui les lient et il est proposé de faire circuler un gaz inerte chaud dans cet intervalle afin d'étuver le tore complet à 500 °C, procédure qui, facilitant le dégazage intérieur, permettra d'atteindre la pression de base requise de 10-10 torr. Afin de protéger l'extérieur de l'appareil de cette haute température la chambre à vide sera isolée thermiquement. Beaucoup de précautions ont été prises dans le choix des matériaux constituant cette chambre. Résistance des matériaux à haute température et caractéristiques électriques ont indiqué que les alliages à haute teneur en nickel seraient les mieux appropriés. Le choix final s'est porté sur l'INCONEL 600 (nom de fabrique de chez Huntington, USA) ou NICROFER 7216 (nom de Vereinigte Deutsche Metallwerke, F.R.G.) pour les secteurs rigides, et l'INCONEL 625 (NICROFER 6020) pour les soufflets, ce dernier matériau ayant la résistivité électrique requise. Les queusots horizontaux soudés dans le plan équatorial sont à leur tour soudés aux chambres de pompage qui comportent les pompes turbomoléculaires et les cryopompes, tout en conservant le maximum d'accès sur l'intérieur pour les faisceaux de particules énergétiques neutres : système proposé pour le chauffage additionnel du plasma. La chambre à vide a été étudiée de façon à ce que tous les efforts soient pris par les secteurs rigides. Les efforts dirigés radialement de l'extérieur vers l'intérieur sont transmis et tenus par des modules placés entre secteurs rigides adjacents. L'ensemble travaille comme une structure en forme de voute comprimée avec 100 tonnes. Les forces appliquées sur la chambre à vide sont dues : à la pression atmosphérique, en opération normale et pendant l'étuvage à 500 °C, aux forces électromagnétiques dues aux courants de Foucault induits dans cette structure métallique par les variations de flux magnétique dans le temps, et aux contraintes thermiques, la chambre se dilatant pendant l'étuvage et durant les opérations expérimentales.