CN102651241A - 一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件固定，静电探针沿轴向设有若干个互相平行的阶梯面；静电探针的顶部平面与待测核聚变反应堆第一壁部件接触等离子体流的表面位于同一平面或略突出于待测核聚变反应堆第一壁部件接触等离子体流表面；静电探针由顶部沿轴向最后一个阶梯面与待测核聚变反应堆第一壁部件允许被等离子体流腐蚀的极限位置位于同一平面。静电探针由顶部沿轴向3个阶梯面的面积比为1∶2∶4。本发明通过测量探针收集的等离子体流电流进行，不需要人工干预，具有实时监测，结构简单，抗干扰，可靠性高的特点。

Description

一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针

技术领域

本发明涉及一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，特别是涉及一种针对等离子体流腐蚀的具体情况对静电探针外部结构进行了改进的用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针。

背景技术

磁约束核聚变反应堆第一壁部件构成反应区域的物质边界，反应堆等离子体流沿着磁力线流入第一壁部件材表面，将其热能传递至部件表面，同时等离子体流粒子通过物理溅射和化学溅射等过程，腐蚀表面材料。第一壁部件通常具有主动冷却设施，排出其表面和部件体的承受的热负荷。这些主动冷却设施通常是由水或气体冷却管道组成，并且冷却管道埋藏于第一壁部件表面之下。由于反应介质及其生产物对部件表面的腐蚀，在部件使用寿命的末期，冷却管道之前的第一壁材料接近完全腐蚀，致使冷却管道接近或直接面临等离子体流。如果因为这种状况未能及时监测到而未能采取相应措施，就有可能发生冷却管道因承受过量的热流密度或直接受到腐蚀而破裂。第一壁部件冷却管道破裂是反应堆中十分严重和危险的事故，为了避免这类事故，监测第一壁部件的腐蚀程度是重要的、必不可少的。应该强调，腐蚀监测必须实时在线进行，才具有安全警示作用。

目前，人类尚未建立起聚变反应堆，对第一壁部件腐蚀状态尚未进行实时在线的监测，也没研发出实时在线监测的设备。国际托卡马克实验反应堆，即ITER装置是目前在建的聚变功率最大的装置，ITER机构正在进行ITER第一壁部件腐蚀监测的研究。ITER目前采用的方法基于激光干涉的的原理，理论上可以提供精确的监测结果；然而，ITER的激光监测方法技术上是很复杂的，在不能进行人工维护、复杂的电磁和热工环境的聚变反应堆腔体内部，影响监测结果的因素甚多，能否可靠的应用尚不明确。例如反应堆内部与激光光路有关的部件的热收缩就会对监测结果产生显著影响。静电探针，即朗缪尔探针广泛用于聚变研究装置边缘和低温等离子体流装置等离子体流参数的诊断，在聚变反应第一壁堆部件腐蚀的监测上尚未见应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不需要人工干预，具有实时监测，结构简单，抗干扰，可靠性高的用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针。

为解决上述技术问题，本发明一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件固定，静电探针沿轴向设有若干个互相平行的阶梯面；静电探针由顶部沿轴向最后一个阶梯面与待测核聚变反应堆第一壁部件允许被等离子体流腐蚀的极限位置位于同一平面。

静电探针的顶部与待测核聚变反应堆第一壁部件接触等离子体流的表面位于同一平面或略突出于待测核聚变反应堆第一壁部件接触等离子体流的表面；

阶梯面为3个。

静电探针由顶部沿轴向3个阶梯面的面积比为1∶2∶4。

静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件之间有100微米～2毫米的间隙。

静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件由相同材料构成。

本发明为磁约束核聚变反应堆第一壁部件的安全运行提供了简单可靠的腐蚀状态监测，可以在第一壁部件如偏滤器上布置监测探针阵列，监测偏滤器不同位置的腐蚀状态。监测的方式是通过测量探针收集的等离子体流电流进行的，不需要人工干预，具有实时监测，结构简单，抗干扰，可靠性高的特点。

附图说明

图1为本发明所提供的一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针的示意图。

图中：1为静电探针，2为待测核聚变反应堆第一壁部件，3为等离子体流，4为等离子体流与待测核聚变反应堆第一壁部件的夹角，5为探针的顶部，6为静电探针第一阶梯面，7为静电探针第二阶梯面，8为静电探针第三阶梯面，9为静电探针与部件之间的绝缘元件，10为绝缘螺钉，11为具有过流限制的可变探针偏置电源，12为电流监测仪器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

静电探针1设置在待测核聚变反应堆第一壁部件2的侧面或特设的孔洞中，通过绝缘螺钉10和静电探针与部件之间绝缘元件11将静电探针1的底部与待测核聚变反应堆第一壁部件2固定。静电探针1与待测核聚变反应堆第一壁部件2由相同材料构成，或者静电探针1由抗腐蚀性低于待测核聚变反应堆第一壁部件的材料构成。静电探针1不可以与待测核聚变反应堆第一壁部件2接触，优选与待测核聚变反应堆第一壁部件2之间有100微米～2毫米的间隙。静电探针1的底部电连接有电流监测仪器12和具有过流限制的可变探针偏置电源11。

静电探针1沿轴向设有3个互相平行的阶梯面，分别为静电探针第一阶梯面6、静电探针第二阶梯面7和静电探针第三阶梯面8。由顶部沿轴向该三个阶梯面的面积比为1∶2∶4。静电探针1的顶部平面与待测核聚变反应堆第一壁部件2接触等离子体流3的表面位于同一平面或略突出于待测核聚变反应堆第一壁部件2接触等离子体流3的表面。静电探针第三阶梯面8与待测核聚变反应堆第一壁部件2允许被等离子体流3腐蚀的极限位置位于同一平面。

由于聚变堆中磁力线总是以极小的角度，与待测核聚变反应堆第一壁部件2表面相交，即等离子体流3与待测核聚变反应堆第一壁部件2的夹角为1度到3度。等离子体流3沿磁力线以这个角度流入待测核聚变反应堆第一壁部件2和静电探针1的受腐蚀面，结果使该静电探针1顶部平面与待测核聚变反应堆第一壁部件2受腐蚀面同步被等离子体流3腐蚀，并且两个腐蚀面基本上处于同一个平面。当监测到静电探针1腐蚀至某一阶梯面时，就表明待测核聚变反应堆第一壁部件2被腐蚀到相应位置。可令静电探针第一阶梯面6为待测核聚变反应堆第一壁部件2腐蚀的预警位置，静电探针第二阶梯面7为待测核聚变反应堆第一壁部件2腐蚀的报警位置，在堆运行过程中，通过电流监测仪器12监测静电探针1电流变化的阶跃事件，就可以监测静电探针1腐蚀的状态，以及对应的待测核聚变反应堆第一壁部件2的腐蚀预警位置和腐蚀报警位置。实际实施中，由于沿磁力线的热流密度非常高，即使静电探针1顶部表面高出待测核聚变反应堆第一壁部件2接触等离子体流的表面，高出的静电探针部分将快速腐蚀，最终两面将趋于同面。

在实际使用中，为了提高监测的可靠性，可设较大的台阶面积比值，如令静电探针第一阶梯面6、静电探针第二阶梯面7和静电探针第三阶梯面8的面积比为1∶2∶4。这样，在相同的等离子体流3条件下，与腐蚀状态变化对应的静电探针1电流变化将成倍数关系，于是腐蚀状态变化容易鉴别出来。实际上反应堆运行时等离子体流3存在变化和扰动。对于长时间变化的等离子体流3过程，可以用等离子体流参数，如密度，温度，磁力线入射角等，依照静电探针测量的物理规律，对测量的静电探针电流归一化，消除或减少等离子体流3变化对监测的影响。对于快速扰动的等离子体流3过程，腐蚀过程相对于扰动过程而言非常缓慢，可以通过低频滤波，如设定滤波器的带宽小于1赫兹，消除静电探针电流的扰动成份，消除等离子体流3扰动对电流跃变监测的影响。总之，通过采用不限于上述的措施之后，本发明能够实际用于磁约束聚变堆第一壁部件的腐蚀状态的实时在线监视。

Claims (6)

1.一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，所述静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件固定，其特征在于：所述静电探针沿轴向设有若干个互相平行的阶梯面；所述静电探针由顶部沿轴向最后一个阶梯面与待测核聚变反应堆第一壁部件允许被等离子体流腐蚀的极限位置位于同一平面。

2.根据权利要求1所述的一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，其特征在于：所述静电探针的顶部与待测核聚变反应堆第一壁部件接触等离子体流的表面位于同一平面或略突出于待测核聚变反应堆第一壁部件接触等离子体流的表面。

3.根据权利要求1所述的一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，其特征在于：所述阶梯面为3个。

4.根据权利要求3所述的一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，其特征在于：所述静电探针由顶部沿轴向3个阶梯面的面积比为1∶2∶4。

5.根据权利要求1所述的一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，其特征在于：所述静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件之间有100微米～2毫米的间隙。

6.根据权利要求1所述的一种用于磁约束核聚变反应堆部件腐蚀监测的静电探针，其特征在于：所述静电探针与待测核聚变反应堆第一壁部件由相同材料构成或静电探针由抗腐蚀性低于待测核聚变反应堆第一壁部件的材料构成。

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