托卡马克装置的核心部件——真空室，需维持极端的超高真空条件以保证等离子体的稳定运行和超导磁体的正常工作，任何泄漏都可能引发等离子体品质下降和设备损坏。尽管已有研究能检测并定位微小泄漏，现有方法在操作效率和核辐射环境下的适用性上存在局限。今天我们就来说说两种远程检漏方法，旨在提高泄漏检测的效率和安全性，并通过实验验证了其在托卡马克真空室泄漏检测中的可行性。
托卡马克中的常用检漏技术
氦质谱检漏法
氦质谱检漏法通过使用氦气作为示踪气体，配合氦质谱仪进行操作，已成为托卡马克装置中的标准检漏手段。该技术广泛应用于托卡马克装置的真空室整体检测及部件的细致检漏工作。例如，王志文等人基于质谱分析和气体动力学原理，发展了适用于大型真空设备的测量方法，并成功应用于HL-1M托卡马克装置。曹曾等人则采用四极质谱计与氦质谱仪相结合的技术，对HL-2A真空室进行了全面检测，并为多极场线圈的保护套和真空室接合面设计了专门的检测子系统。此外，国际热核实验反应堆（ITER）项目中，包层屏蔽块的泄漏检测也是在特制的热氦检测装置中完成的。
光谱法
光谱法主要用于检测托卡马克装置中水冷管道的泄漏。该方法基于等离子体与真空室壁相互作用时，水蒸气分解产生的组分（如氢离子、氧、羟基）的辐射激发，通过光谱仪检测其特征光谱。法国原子能研究所（CEA）利用光反馈腔增强吸收光谱技术（OF-CEAS）在TITAN试验台上进行了泄漏检测实验，验证了该技术在ITER项目中的可行性。Antipenkov等人则通过空心阴极放电装置上的实验，证实了光谱法在检测水泄漏方面的灵敏度和准确性。
示踪剂检漏法
示踪剂检漏法在托卡马克装置中主要应用于水冷管道和偏滤器的泄漏检测。Hiroki等人提出了一种使用放射性氪作为水溶性示踪剂的检测方法，用于ITER项目的冷却水泄漏检测。Unterberg等人则采用新型同位素钨示踪剂对偏滤器的泄漏进行了检测。
其他检漏方法
除了上述方法，托卡马克装置中还探索了其他一些检测手段。Worth等研究人员通过模拟和实验，深入分析了水和氦气通过ITER装置不同形状漏孔的流动特性。他们开发了一种创新的泄漏定位方法，该方法通过在水冷管路的上游和下游安装节流阀，实时调节压力，根据管路外流量或压力的变化来判断和定位泄漏。
然而，像氦质谱检漏法这样的技术通常需要技术人员进入或接近真空室进行操作，这在涉及放射性的氚运行工况下是不可行的。此外，光谱法虽然在某些情况下有其应用价值，但其检测到的漏率有限，且定位精度尚不够精确。因此，在氚运行工况下，托卡马克装置需要采用不同于现有技术的检漏方案，以确保检测工作的安全性和准确性。
托卡马克中的远程检漏方法研究
针对托卡马克装置在氚运行条件下的特殊要求，利用当前机械臂技术的先进成果——这些机械臂能够在高真空、高温和强辐射的环境中稳定工作。在此基础上，研究人员创新性地提出了两种远程泄漏检测技术，分别针对真空室内部的水冷管道和外部窗口管道的潜在泄漏问题。如图1所示的检测流程，一旦检测到真空室内部的泄漏，外部连接的质谱仪就会捕捉到泄漏气体分压力的相应变化。
具体来说，如果质谱仪记录到水分压的增加，这将初步指示为真空室内部水冷管道的泄漏。面对这种情况，研究人员将采用基于真空羽流效应的检测技术，对水冷管道进行深入分析。相对地，如果检测到氮气或氧气分压的变化，这将被初步认定为连接外部窗口的管道泄漏。此时，研究人员将运用基于分子屏差分作用的检测方法，对这些窗口管道进行逐一排查。
值得注意的是，尽管可以通过机械臂使用喷吹法直接对外部管道进行检测，但这种方法耗时较长且效率不高，因此本文并未对其进行详细讨论。以EAST托卡马克装置为例，下图展示了这两种远程检测方法在真空室中的应用示意图，为未来托卡马克装置的泄漏检测工作提供了新的技术途径。
托卡马克真空室泄漏远程检测流程图
远程检漏方法在托卡马克真空室中的检测示意图
基于真空羽流效应的内部泄漏检测方法
托卡马克真空室内部的水冷管道系统错综复杂，加之真空室本身体积庞大，这使得检测微小泄漏变得尤为困难：传统检漏设备难以捕获到足够的信号，导致检测过程耗时且效率不高。然而，在气体通过小孔或狭缝进入真空环境时，由于存在显著的压差，气体会在漏孔附近加速并形成羽流，这一现象会在局部区域产生高于背景的压力。利用真空环境中气体羽流的特性，研究人员提出了一种新的检测方法，专门用于探测托卡马克真空室内部的微小泄漏。
该方法涉及将一台高灵敏度的四极杆质谱仪安装在机械臂上，该机械臂能够从真空室外部通过窗口延伸进入真空室内。这样，实验人员就可以在真空室外安全地操控机械臂，使其携带质谱仪在真空室内进行移动检测。一旦检测到泄漏，通过细致分析质谱仪记录的水分压变化，不仅可以确认泄漏的存在，还可以根据水分压的变化程度来推断泄漏点的准确位置。
对于那些漏率极小，以至于质谱仪难以检测到水分压明显变化的情况，研究人员采取了一种创新的解决方案：首先排空水冷管道中的水，然后引入氦气作为示踪气体进行泄漏检测。这种方法能够产生更明显的分压变化，从而使得泄漏检测更为直观和准确。通过这些技术的应用，研究人员能够为托卡马克装置的泄漏检测工作提供一种高效、精确的新途径。
实验设置
为了验证移动质谱仪在检测和定位微小泄漏方面的能力，研究人员在定制的小型真空室内进行了一系列的微泄漏实验，通过分析泄漏气体的压力分布来评估检测效果。实验平台的详细布局展示在下图中。
展示了基于真空羽流效应的托卡马克真空室内部泄漏检测方法的验证实验装置示意图
在实验中，研究人员在小型真空室中安装了一个真空二维电动平移台，该平台由真空伺服步进电机驱动，配备精密滚珠螺杠和线性滑块导轨，能够实现精确的轴向和径向位移。平移台上固定了一个全量程真空计，用以测量并模拟机械臂带动质谱仪在托卡马克真空室中进行扫描检测时的压力分布。由于实验规模的限制，质谱仪体积庞大，不便于在有限空间内移动，因此选择使用真空计代替，以便更精确地测量气体压力。真空计前端特别设计了一根细管，增加了气体分子在真空计内部的停留时间，从而提高了对压力变化的检测灵敏度。实验装置的实物照片如下图所示。
呈现了基于真空羽流效应的托卡马克真空室内部泄漏检测方法验证实验装置的实物
模拟泄漏的实验采用了直径为0.5毫米的漏孔，该漏孔设置在一根直径6.35毫米、长100毫米的黄铜管上。黄铜管的一端密封，另一端则连接到真空室的入口管道。实验所需的微小泄漏通过气瓶、稳压室和微调阀来实现。具体操作中，使用气瓶向稳压室充入氮气，稳压室通过旋片泵抽至1 Pa的真空度，然后通过微调阀控制氮气的流量，模拟不同条件下的泄漏。实验中使用的分子泵型号为MAG W 1600 iPL，前级泵为NOVADRY ND65，确保了实验过程中的高真空环境。通过这些精心设计的实验步骤，研究人员能够准确地模拟和检测托卡马克真空室内部可能发生的微小泄漏。
Leybold MAG W 1600 iPL 分子泵（左）及NOVADRY ND65 前级干式螺杆真空泵（右）
实验结果
下图展示了实验中测得的漏孔附近压力分布情况。观察结果表明，压力峰值位于中轴线附近，明显超出了真空室的本底压力水平，这一现象确认了黄铜管中确实发生了泄漏，从而验证了基于真空羽流效应的托卡马克真空室内部泄漏检测方法的有效性。实验中，由于数据采集时平移台可能引起的位置偏差，导致测量到的最大压力位置与中轴线出现了轻微的偏离。在图中，气体压力沿径向呈现对称分布，且随着真空计与漏孔之间距离的增加，压力沿中轴线逐渐降低，这进一步证实了泄漏气体在真空室中形成了明显的羽流效应。
实验测得的真空室漏孔水平面上的压力分布
基于分子屏差分作用的托卡马克管道泄漏检测方法
托卡马克真空室通过多组窗口与众多管道相连，这些管道一旦发生泄漏，将同样导致等离子体品质下降、等离子体破裂等一系列严重后果。因此，对这些管道进行泄漏检测至关重要。考虑到窗口管道数量众多，如果采用传统的喷吹法对每个管道逐一进行检测，效率将非常低下。为此，提出了一种基于分子屏差分作用的托卡马克管道泄漏检测方法。该方法通过在质谱仪前端安装分子屏，利用机械臂携带质谱仪进入真空室内部，对窗口管道进行检测。当分子屏靠近窗口管道时，由于二者之间间隙的面积远小于管道的横截面积，相当于管道开口的流导减小。此时，若管道中有泄漏，管道内的压力将明显高于真空室内的压力，分子屏将起到差分压力的作用。通过观察质谱仪靠近窗口管道时测得的压力是否有明显的上升，即可判断该管道是否发生泄漏。
实验设置
实验采用了圆柱形真空室来模拟托卡马克的真空室环境。真空室内安装有二维电动平移台，能够实现轴向和径向的精确位移。平移台上通过固定卡箍连接了真空计（本实验中使用空气作为示漏气体，因此使用真空计代替质谱仪，以便获得更大的压力测量范围），分子屏安装在真空计前端。真空室内部连接有两个管道，其中一个管道连接到装置的进气端，用以模拟发生泄漏的窗口管道；另一个管道则用盲板密封，模拟未发生泄漏的窗口管道。两个管道的直径均为100毫米，分子屏的外径为120毫米，内径为42毫米，厚度为5毫米。进气端通过微调阀连接到上游稳压室的出口，稳压室的入口直接与大气相通，模拟空气通过窗口管道泄漏到托卡马克真空室中的过程。通过调节微调阀，可以控制空气泄漏量的多少。真空室尾部连接有分子泵组，以满足实验所需的真空条件。实验中使用的平移台、真空计和分子泵组等设备与2.1节中使用的相同。实验装置的示意图和真空室的实物照片分别见上图和下图。
基于分子屏差分作用的托卡马克管道泄漏检测方法验证实验装置示意图
基于分子屏差分作用的托卡马克管道泄漏检测方法验证实验装置实物照片
实验结果
实验中，真空计在不同位置处测得的压力如图所示。第2组至第7组数据显示了有泄漏时的情况，且随着空气泄漏量的逐渐增加，压力也随之上升。第1组数据则对应无泄漏时的情况。结果表明，在同一位置处，随着泄漏量的增加，压力值也随之增加。在无泄漏的情况下，当挡板与管道端面之间的距离从80毫米减小到2毫米时，压力几乎保持不变；当距离从2毫米进一步减小到0毫米时，压力仅有轻微的增加。而在有泄漏的情况下，当挡板与管道端面之间的距离从80毫米减小到13毫米时，压力变化不大；但当距离从13毫米减小到0毫米时，压力出现了明显的上升，增加值远高于无泄漏时的增加值。这一现象表明，在分子屏两侧形成了较大的压力差，分子屏成功地起到了差分压力的作用。因此，可以据此判断管道中是否发生了泄漏，从而验证了基于分子屏差分作用的托卡马克管道泄漏检测方法的可行性。
实验中真空计测得的不同位置处的压力
通过这些先进的检测技术和精心设计的实验验证，研究人员不仅提高了托卡马克装置泄漏检测的效率和准确性，而且为在放射性环境下安全进行检测工作提供了有效的解决方案。这些研究成果标志着在托卡马克装置运行与维护领域迈出了重要的一步，为实现聚变能源的商业化应用和保障其长期稳定性奠定了坚实的基础。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，核聚变作为未来清洁能源的前景将更加光明，为全球能源结构的转型和可持续发展做出重要贡献。