Monte Carlo analysis of the low-temperature adsorption facility TITAN and its pumping characteristics

Monte Carlo Analyse für die Tieftemperaturanlage TITAN und deren Pumpcharakteristiken
Im Rahmen des ‘European Fusion Technology Programme’ werden bei FZK Entwicklungsarbeiten für das primäre Vakuumpumpsystem des Fusionsreaktors ITER durchgeführt. Für die Auslegung und den Betrieb der Kryopumpe wurden in einer unterstützenden Versuchsreihe Komponenten an der Anlage TITAN getestet. Das primäre Ziel dabei war es, das Saugvermögen der mit Aktivkohle beschichteten Kryosorptionspanels unter ITER-relevanten Bedingungen zu ermitteln. Die TITAN-Experimente erlauben die Bestimmung des Zusammenhangs von Saugvermögen, Gasbeladung und Druck während des Pumpens. ... mehrDas Saugvermögen hängt dabei vom Durchsatz des zu prozessierenden Gases ab, von der Geometrie des Pumpsystems, von der kalten Pumpfläche, vom Typ des Sorbentmaterials, von der Temperatur und von der Gasbeladung.
Um den Einfluß der Geometrie auf das gemessene Saugvermögen im molekularen Strömungsbereich quantitativ zu ermitteln, wurde die Monte Carlo Methode verwendet. Die verdünnte Gasströmung in der TITAN-Anlage wurde mit dem Monte Carlo Code MOVAK3D modelliert. In einer Reihe von Simulationsrechnungen sollte der Leitwert der wesentlichen Vakuumbauelemente von TITAN und die Abhängigkeit der Einfangwahrscheinlichkeit vom Betriebszustand des Panels bestimmt werden. Darüber hinaus sollten die relativen Druckunterschiede innerhalb der Anlage und der Einfluß der Panelanordnung auf das Pumpverhalten untersucht werden.
Als Hauptergebnis der Monte Carlo Analyse wurden die beiden wesentlichen Betriebscharakteristiken der TITAN-Anlage, nämlich die Durchtrittswahrscheinlichkeit und die Einfangwahrscheinlichkeit ermittelt. Dabei zeigte sich, daß der niedrige integrale Leitwert der TITAN-Einbauten (Durchtrittswahrscheinlichkeit von 0.1) das gemessene Saugvermögen im Vergleich zu dem Saugvermögen direkt am Kryopanel deutlich herabsetzt. Die Einfangwahrscheinlichkeit hängt stark vom Sticking-Koeffizient (der Haftwahrscheinlichkeit) am Aktivkohlematerial ab. Der maximale Wert, der bei einem Sticking-Koeffizienten von Eins erreicht wurde, beträgt 0.0915 für die Geometrie mit einem Rechteckpanel in ‘Quilted design’ und 0.085 bei der Verwendung eines kreisrunden Panels. Ferner zeigten die Simulationsrechnungen, daß der Druck über der pumpenden Fläche ungefähr eine Größenordnung kleiner ist als in der Meßebene. Außerdem wurde für den Fall des Rechteckpanels quantitativ berechnet, wie sich die gesamte Einfangswahrscheinlichkeit des Panels für verschiedene Anstellwinkel relativ zur Strömungsrichtung auf die verschiedenen Panelseiten verteilt.
Darüber hinaus wurde für die TITAN Geometrie ein geschlossener Ausdruck hergeleitet, der es ermöglicht, die Abhängigkeit der Einfangwahrscheinlichkeit vom Sticking-Koeffizienten und der Durchtrittswahrscheinlichkeit zu ermitteln. Eine Methode zur Ableitung von Sticking-Koeffizienten aus den Meßgrößen wurde entwickelt und erfolgreich angewendet. Die Ergebnisse für reines Helium und Helium/Wasserstoff-Mischungen wurden verglichen, um mögliche kritische Betriebszustände herauszufinden.

Within the framework of the European Fusion Technology Programme, the Karlsruhe Research Centre (FZK) has been charged with the development of the primary vacuum pumping system for the International Thermonuclear Experimental Reactor ITER. To support the design and operation of the cryopump, an experimental campaign for pump component testing was started at the TITAN test facility available in FZK. The primary objective was to investigate, under ITER-relevant conditions, the pumping speed of the designed cryosorption panels coated with activated carbon. The experiments performed at TITAN allow to determine the relationship between the pumping speed of the gas, the gas load and the pressure during pumping. ... mehrThe pumping speed strongly depends on the arrival rate of the gas, the geometry of the pumping system, the cold surface, the type of sorbent used, the temperature and the gas load.
In order to quantify the geometry impact on the measured pumping speed in the molecular flow regime, the Monte Carlo method was applied. To analyse the rarefied gas flow in the TITAN test facility, the general Monte Carlo code MOVAK3D was employed. A series of simulations was performed to determine the conductance of the entire TITAN vacuum structure, to evaluate the capture probability depending on the panel pumping characteristics, to gain an insight into the relative pressure variation within the structure and finally to study the influence of panel arrangement on the TITAN overall pumping performance.
As a result of this analysis, the two most important integral characteristics of the TITAN pumping system the transmission probability and the capture probability could be evaluated. It could be demonstrated that the conductance of the TITAN structure components (the integral transmission probability amounts to 0.1) causes a significant decrease of the measured pumping speed as compared to the potential pumping speed of the panel. The capture probability was shown to be strongly dependent on the gas sticking coefficient of the charcoal sorbent material. The maximum value attainable for the sticking coefficient equalling unity was estimated to be 0.0915 for the structure with the quilted panel and 0.085 for the structure with the circular panel. The simulations confirmed that the pressure in the pump is reduced by approximately one order of magnitude, relative to the pressure in the vacuum chamber. Additionally, for the panel in quilted geometry, the contribution to the overall capture probability by the rear and front panel side was quantitatively estimated for different panel incline to the gas entry plane.
Moreover, an analytical formula describing the dependence of the capture probability on both the sticking coefficient and the transmission probability was derived for the TITAN geometrical configuration. A method to determine the sticking coefficients from the measured quantities was proposed and successfully applied. The results for pure helium were compared with those for helium/hydrogen mixtures to illustrate and discuss potential difficulties of pump operation.