《Fusion Engineering and Design》：The Helios cryostat, maintenance schemes, and cryogenic production system
编辑推荐：
摘要“Helios"，由 Swanson (2025) 描述的 Thea Energy, Inc. 仿星器聚变发电厂，在低温、真空环境下运行，需要可重复访问以进行计划内维护。本文概述了 Helios 低温容器、低温冷却系统的预先概念设计，以及在机械设计和远程操作方面所做的考虑
摘要
“Helios"，由 Swanson (2025) 描述的 Thea Energy, Inc. 仿星器聚变发电厂，在低温、真空环境下运行，需要可重复访问以进行计划内维护。本文概述了 Helios 低温容器、低温冷却系统的预先概念设计，以及在机械设计和远程操作方面所做的考虑，以减少计划维护周期内的电厂停机时间。所代表的设计状态是仿星器系统的一个主要部分，由本文及其合作论文整体呈现。引入的大多数概念对聚变而言并非新颖。然而，将这些概念整合到单一仿星器中，提供了关于平面线圈仿星器架构允许的设计维护和高度可用性的新颖见解。提出的模块化低温容器通过易于拆卸和更换的面板端口盖提供对内部仿星器组件的访问。等离子体容器被分为 24 个部分，通过螺栓连接密封和连接，以促进维护的便利性。这种组装方法允许无需破坏性进入方法即可重复访问内部组件。由于材料活化，周围区域对人员仍然禁止进入，因此在操作后使用远程处理设备访问这些组件。概述了一个 84 天、88% 容量因子、每两年一次的维护周期，并提供了 Helios 停机后的衰变热和等效剂量的支持分析。Helios 的低温冷却要求分为三个不同的阶段；冷却、运行斜坡和发电。冷却阶段通过液氮供应补充以满足更高的功率要求。总设计冷却功率为 80 K 下 1 MW 和 20 K 下 50 kW。
引言
低温容器已应用于众多行业，包括聚变装置，以维持有利且高效的低温环境。这些容器利用真空环境、热屏蔽和其他特征来增加热阻 [1]。“Helios"低温容器在这些概念的基础上，为仿星器组件提供低温条件，同时强调可维护性和可访问性。此外，该低温容器设计对于仿星器而言并不常见，因为它呈圆柱形和对称形状，不同于其他仿星器设计中看到的不对称环面形状 [2], [3]。这种圆柱形设计，结合 Helios 较低的长径比，允许更多的内部空间用于布线以及舱内组件的访问。利用可拆卸的端口面板盖来促进基于扇区的维护和系统调试后的组件安装。
Helios 的基于扇区的维护方案与传统提议的仿星器维护方案相比是独特的。ARIES-CS 考虑了一种基于端口的方案，其中 222 个部件通过三个小端口提取 [4]。需要这种方案是因为 ARIES-CS 设计中的模块化线圈之间只有很小的空间。其他研究考虑了基于场周期的方法，有时称为扇区分割 [3], [5], [6]。在这种方法中，整个场周期，包括线圈，从仿星器中移除并进行维护。没有选择扇区分割方法，因为移除和重新集成仿星器的整个三分之一或四分之一部分似乎存在重大的实际挑战。
Helios 使用的基于扇区的方法灵感来源于托卡马克维护方案，在其中径向构建（第一壁、偏滤器、包层、屏蔽）的整个环形扇区从环形场线圈之间移除 [7]。此前已有人提议将基于扇区的方法用于仿星器，但需要等离子体平衡支持外腿为直线的模块化线圈 [8]。塑形线圈的加入，可以从环绕线圈之间拆卸和更换，消除了这一限制。
许多仿星器子系统和组件必须保持低温冷却至 80 K 以下，需要低温生产系统。该系统将提供 80 K 第一级和 20 K 第二级冷却，供整个仿星器使用。燃料加注和低温超导体（“LTS"）电子回旋共振加热（“ECRH"）系统需要额外的 4 K 和 10 K 冷却。这些源在本地提供，不属于低温分配系统的一部分。本文未概述冷却系统设计的细节。
章节片段
低温容器设计
如图 1 所示，低温容器是一个圆顶圆柱形壳，半径为 15.2 m，环绕仿星器。低温容器维持 1e?6 托真空，以最小化向 20 K 和 80 K 组件的热泄漏。该结构由 316LN 不锈钢制成，混合了焊接结构接头和螺栓密封端口盖。低温容器的最大内部高度为 19.2 m，位于顶部和底部中心端口面板之间，如图 1 (9) 所示。一系列围绕...的面板
维护方法
Helios 系统架构的设计旨在允许更高效地访问组件，以便它们可以以系统化的、资本高效的方式移除和更换，同时最大限度地减少电厂停机时间。组件的更换或维护可以在计划系统停机期间进行，而组件和备件的翻新可以在系统运行时离线进行。
Helios 商业维护方案的一个重点是那些已知具有...的组件
低温生产
Helios 低温工厂的规模足以容纳两个工作温度 80 K 和 20 K 下的三个运行载荷情况。运行阶段为冷却、运行斜坡和发电。冷却阶段考虑将冷质量降低至其各自的操作温度，并由液氮冷却补充。运行斜坡阶段包括随着系统斜坡至操作条件，来自环绕线圈和塑形线圈的充电热负荷。发电...
结论
本文描述了 Helios 低温容器的设计、维护方法以及低温生产需求的概述。低温容器的设计带有可拆卸的面板盖，以促进对仿星器组件的访问。这允许更快且可重复地更换寿命受限的系统组件。在系统运行时，维护方法被考虑在所有系统的设计中，重点是最大限度地减少停机时间并增加发电的整体电厂容量，同时...
CRediT 作者贡献声明
J. 沃瑟曼：写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，监督，方法论，形式分析，概念化。 W. 哈里斯：写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，监督，方法论，形式分析，概念化。 N. 德博尔：写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，方法论，形式分析，概念化。 K. 布罗德克：写作 – 审查与编辑，方法论，形式分析，
竞争利益声明
作者声明以下利益：
Thea Energy 收到了美国能源部提供的资金、奖项和超级计算机集群计算分配形式的支持。
所有隶属于 Thea Energy 的作者与 Thea Energy, Inc. 存在关系，包括雇佣，以及股权或股票。
作者 David Gates 拥有许可给 Thea Energy 的专利。作者 David Gates 和 Charles Swanson 拥有转让给 Thea Energy 的专利。作者 David Gates 拥有提交给 Thea...的专利申请
致谢
这项研究由 Thea Energy 资助，并作为 美国能源部基于里程碑的聚变发展计划 (DE-SC0024881) 的一部分进行。
J. 沃瑟曼|W. 哈里斯|N. 德博尔|K. 布罗德克|J. 郑|S. 帕斯曼|C.P.S. 斯旺森|S. 沃尔什|B. 贝尔津|D.A. 盖茨
Thea Energy, Inc., 1 Eastern 路，3-04 室，基恩，07032，新泽西州，美国
