CN109903861B - 面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统及方法，包括有惰性气体储气瓶、液态锂壁、等离子体和控制系统。在磁约束聚变实验中，液态锂壁遭受等离子体热流轰击后温度迅速上升，当超过其温度阈值时，利用控制系统发送命令给可编程直流电源，使加热棒停止加热；同时远程开启供气阀，通过冷却管道通入惰性气体，快速降低液态锂壁的表面温度，减少等离子体对其损伤。当低于其温度阈值时，关闭供气阀停止通入惰性气体，调节可编程直流电源的输出电压，加热棒再次加热，使液态锂壁升温并维持在其工作温度。本发明是一种能够快速有效降低等离子体热流对液态锂壁损伤的方法，为未来聚变堆中液态锂第一壁的成功应用提供良好的技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及磁约束聚变装置第一壁材料领域，具体是一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统及方法。
背景技术
磁约束受控核聚变是解决人类能源及环境问题的重要途径之一。随着聚变装置的不断升级，等离子体与面向等离子体的壁材料(第一壁)的相互作用逐渐变强，由此引起壁材料的损伤及腐蚀加剧，严重影响聚变装置的运行安全。而降低第一壁材料表面的温度可以减少等离子体对第一壁的损伤。此外，金属锂因具有优良的物理和化学性能而受到广泛关注，被选为面向等离子体第一壁的候选材料。研究表明液态锂第一壁与等离子体具有良好的兼容性，同时能改善等离子体性能，此外，液态锂能承受很高的表面热负荷且不易损坏，能有效保护基底材料。在托卡马克装置中，已开展了大量的关于液态锂第一壁研究工作，取得了丰硕的成果，但是也存在一定的困难性。原因有以下几点：1.由于实验过程中在液态锂壁遭受等离子体热流轰击时，锂的蒸发、溅射等会造成自身消耗损失是无法避免的，如果大量的锂进入等离子体会导致其熄灭，而降低液态锂壁过高的温度是一种减少锂损耗的有效方法；2.液态锂壁安装在聚变装置内部，没有办法开展自然风冷；另一方面，锂极易与水反应，与熔融的液态锂会发生爆炸反应，若采用水冷存在重大安全风险；3.托卡马克装置在进行聚变等离子体放电实验时,会产生高能X射线、γ射线以及中子辐射，期间严禁任何人员进入实验大厅进行作业。因此，发明一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制技术显得极为重要。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的不足，提供一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统及方法，减少等离子体热流对液态锂壁的损伤。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：包括有惰性气体储气瓶、液态锂壁、等离子体和控制系统，所述惰性气体储气瓶的出气口安装有减压阀，减压阀出气口通过气管与供气阀入口焊接连接，供气阀出口与冷却管道一端相连，冷却管道的另一端直接暴露于大气，冷却管道布置于液态锂壁的中间位置，液态锂壁中布置有加热棒，控制系统与供气阀、加热棒控制连接；在液态锂壁受到等离子体热流轰击时通过控制系统实现温度负反馈控制；具体为：液态锂壁遭受等离子体热流轰击后温度迅速上升，当超过其温度阈值时，通过控制系统将直流电源输出电压调零，液态锂壁中的加热棒停止工作；同时利用控制系统控制开启供气阀，再通过冷却管道通入惰性气体，快速降低液态锂壁的温度；当液态锂壁的温度低于其温度阈值时，关闭供气阀停止通入惰性气体，同时调节直流电源输出电压，加热棒再次工作逐渐升温，使液态锂壁的温度维持在工作温度范围内。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的液态锂壁是一块液态锂限制器，尺寸为350mm×320mm，基底为Cu热沉，利用热等静压工艺在其正面焊接0.5mm厚的不锈钢导流板，所述冷却管道、加热棒均布在热沉背面。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的惰性气体储气瓶为氩气瓶，惰性气体为氩气。采用气冷而非水冷，是因为水能与液态锂迅速反应发生爆炸，如果发生真空泄漏存在安全隐患，而氩气是一种惰性气体，不与锂发生反应。相对于其它惰性气体，氩气的价格低廉。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的减压阀是全铜氩气减压阀，用来调节和测量高压氩气的气压，型号为YQAR-370，输出压力范围0.4-4.0MPa。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的供气阀是一只防爆电磁阀，型号为BZCD-1，通径1mm，工作压力4.0MPa。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的冷却管道是一根φ1/2in的SS316无缝管，一端与供气阀出口连接，另一端直接暴露大气，中间部分弯曲成“跑道”形，布在液态锂壁的中间位置，“跑道”长200mm，两侧半圆直径50mm；所述的加热棒为铠装结构，有两种不同加热功率，分别为1.5KW和2KW，前者有两块，尺寸为120mm×30mm×5mm，布在冷却管道下方；后者有一块，尺寸为220mm×30mm×5mm，布在冷却管道上方。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于:所述的等离子体热流是指等离子体中大量的高能电子、离子及中性粒子所携带的能量以及电磁辐射，在等离子体的边界区域，它们与等离子体的真空室壁发生强烈的相互作用。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的温度阈值是液态锂壁的正常工作温度T，270℃≤T≤350℃。
所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的控制系统包括PLC模块、温度测量模块、一台可编程直流电源和一台IPC；所述的PLC模块为SIEMENS PLC，CPU315-2 PN/DP；所述的可编程直流电源的技术参数是AC 220V/10A输入，三路DC 0-220V/0-10A输出；使用带模拟量输出模块的PLC模块调节热沉背面加热棒的加热功率；所述的温度测量模块为带有温度测量模块的LXI仪器，型号为Agilent34972A温度采集器与十四根分布在热沉背面不同位置的K型热电偶阵列连接，用来获取温度数据；所述的IPC作为主站，通过一个具有手动分配的静态IP地址的LAN路由器与所有仪器进行通信，操作人员通过IPC向仪器发送命令和配置信息，所有的测量数据将被传送到IPC进行监视和存储，可以评估液态锂壁表面的温度，控制加热棒的启动/停止和供气阀的开启/关闭，实现对液态锂壁的温度负反馈控制。
一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制方法，其特征在于：所述的
① 减压阀安装在惰性气体储气瓶，减压阀出气口与供气阀进气口通过气管焊接连接，冷却管道的一端接在供气阀出气口，另一端用堵头密封；
②调节减压阀向冷却管道通入3.3-3.5MPa惰性气体，并保压20-24h检漏；不漏后卸掉堵头，使冷却管道一端暴露大气；
③液态锂壁在真空交换室中安装维护完毕后，通过支撑传动杆将液态锂壁移动到等离子体放电真空室外侧；
④利用控制系统发送命令至可编程直流电源，调节加热棒的加热功率，将液态锂壁的温度升至其工作温度T，270℃≤T≤350℃；温度数据由控制系统中的热电偶阵列采集，并采用软件滤波器来丢弃异常值获得精确的液态锂壁的温度；
⑤再次利用支撑传动杆将液态锂壁推至等离子体切面位置，随着等离子体放电的进行，液态锂壁遭受等离子体热流轰击后温度迅速上升；当超过350℃时，通过控制系统将直流电源输出电压调零，液态锂壁中的加热棒停止工作；同时利用控制系统远程开启供气阀，再通过冷却管道通入压力为3MPa的惰性气体，快速降低液态锂壁的温度；当液态锂壁的温度低于270℃时，关闭供气阀停止通入惰性气体；
⑥将液态锂壁退至等离子体放电真空室外侧；
⑦等待下一炮等离子体放电，重复步骤④、⑤和⑥。
本发明的原理是：
在磁约束聚变实验中，液态锂壁遭受等离子体热流轰击后温度迅速上升，当超过其温度阈值时，利用控制系统发送命令给可编程直流电源，使加热棒停止加热；同时远程开启供气阀，通过冷却管道通入惰性气体储气瓶中气体，快速降低液态锂壁的表面温度，减少等离子体对其损伤。当低于其温度阈值时，关闭供气阀停止通入惰性气体，调节可编程直流电源的输出电压，加热棒再次加热，使液态锂壁升温并维持在其工作温度。
本发明的优点是：
本发明是一种能够快速有效降低等离子体热流对液态锂壁损伤的方法，为未来聚变堆中液态锂第一壁的成功应用提供良好的技术基础。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是加热棒/冷却管道排布图。
图3是热电偶阵列分布图。
图4是控制系统硬件架构图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，包括有惰性气体储气瓶1、液态锂壁8、等离子体9和控制系统10，惰性气体储气瓶1的出气口安装有减压阀2，减压阀2出气口通过气管3与供气阀4入口焊接连接，供气阀4出口与冷却管道5一端相连，冷却管道5的另一端直接暴露于大气，冷却管道5布置于液态锂壁8的中间位置，液态锂壁8中布置有加热棒11，控制系统10与供气阀4、加热棒11控制连接；在液态锂壁8受到等离子体9热流轰击时通过控制系统10实现温度负反馈控制。具体为：液态锂壁8遭受等离子体9热流轰击后温度迅速上升，当超过其温度阈值时，通过控制系统10将直流电源输出电压调零，液态锂壁8中的加热棒11停止工作；同时利用控制系统10远程开启供气阀4，再通过冷却管道5通入惰性气体1，快速降低液态锂壁8的温度。当液态锂壁8的温度低于其温度阈值时，关闭供气阀4停止通入惰性气体1，同时调节直流电源输出电压，加热棒11再次工作逐渐升温，使液态锂壁8温度维持在工作温度范围内。
液态锂壁8是一块液态锂限制器，尺寸为350mm×320mm，基底为Cu热沉，利用热等静压工艺在其正面焊接0.5mm厚的不锈钢导流板，冷却管道5、加热棒11均布在热沉背面。冷却管道5是一根φ1/2in的SS316无缝管，一端与供气阀4出口连接，另一端直接暴露大气，中间部分弯曲成“跑道”形，布在液态锂壁8的中间位置，“跑道”长200mm，两侧半圆直径50mm；加热棒11为铠装结构，有两种不同加热功率，分别为1.5KW和2KW，前者有两块，尺寸为120mm×30mm×5mm，布在冷却管道5下方；后者有一块，尺寸为220mm×30mm×5mm，布在冷却管道5上方。
惰性气体储气瓶1为氩气瓶，惰性气体为氩气。采用气冷而非水冷，是因为水能与液态锂迅速反应发生爆炸，如果发生真空泄漏存在安全隐患，而氩气是一种惰性气体，不与锂发生反应。相对于其它惰性气体，氩气的价格低廉。
减压阀2是全铜氩气减压阀，用来调节和测量高压氩气的气压，型号为YQAR-370，输出压力范围0.4-4.0MPa。
供气阀4是一只防爆电磁阀，型号为BZCD-1，通径1mm，工作压力4.0MPa。
等离子体9热流是指等离子体中大量的高能电子、离子及中性粒子所携带的能量以及电磁辐射，在等离子体的边界区域，它们与等离子体的真空室壁(第一壁)发生强烈的相互作用。既降低等离子体的约束性能，又加剧第一壁材料的损伤，严重危害聚变装置的寿命及安全。
温度阈值是液态锂壁8的正常工作温度T，270℃≤T≤350℃。
如图4所示，控制系统10包括PLC模块、温度测量模块、一台可编程直流电源和一台IPC；所述的PLC模块为SIEMENS PLC，CPU315-2 PN/DP；所述的可编程直流电源的技术参数是AC 220V/10A输入，三路DC 0-220V/0-10A输出，这些参数可以在OPI层上设置，使用带模拟量输出模块的PLC模块调节热沉背面加热棒的加热功率；所述的温度测量模块为带有温度测量模块的LXI仪器，型号为Agilent34972A温度采集器与十四根分布在热沉背面不同位置的K型热电偶阵列连接，用来获取温度数据；所述的IPC作为主站，通过一个具有手动分配的静态IP地址的LAN路由器与所有仪器进行通信，操作人员通过IPC向仪器发送命令和配置信息，所有的测量数据将被传送到IPC进行监视和存储，可以评估液态锂壁表面的温度，控制加热棒的启动/停止和供气阀的开启/关闭，实现对液态锂壁的温度负反馈控制。
一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制方法，包括以下步骤：
① 如图1所示，减压阀2安装在惰性气体储气瓶1，减压阀2出气口与供气阀4进气口通过气管3焊接连接。冷却管道5的一端接在供气阀4出气口，另一端用堵头密封。
②调节减压阀2向冷却管道5通入3.5MPa惰性气体，并保压24h检漏。不漏后卸掉堵头，使冷却管道一端暴露大气。
③液态锂壁8在真空交换室7中安装维护完毕后，通过支撑传动杆6将液态锂壁8移动到等离子体放电真空室外侧。
④如图2和3所示，利用控制系统10发送命令至可编程直流电源，调节加热棒11的加热功率，将液态锂壁5的温度升至其工作温度T，270℃≤T≤350℃。温度数据由控制系统10中的热电偶阵列12采集，并采用软件滤波器来丢弃异常值获得精确的液态锂壁8的温度。
⑤再次利用支撑传动杆6将液态锂壁8推至等离子体9切面位置，随着等离子体放电的进行，液态锂壁8遭受等离子体9热流轰击后温度迅速上升。如图4所示，当超过350℃时，通过控制系统10将直流电源输出电压调零，液态锂壁8中的加热棒11停止工作；同时利用控制系统10远程开启供气阀4，再通过冷却管道5通入压力为3MPa的惰性气体1，快速降低液态锂壁8的温度。当液态锂壁8的温度低于270℃时，关闭供气阀4停止通入惰性气体1。
⑥将液态锂壁8退至等离子体放电真空室外侧。
⑦等待下一炮等离子体放电，重复步骤④、⑤和⑥。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：包括有惰性气体储气瓶、液态锂壁、等离子体和控制系统，所述惰性气体储气瓶的出气口安装有减压阀，减压阀出气口通过气管与供气阀入口焊接连接，供气阀出口与冷却管道一端相连，冷却管道的另一端直接暴露于大气，冷却管道布置于液态锂壁的中间位置，液态锂壁中布置有加热棒，控制系统与供气阀、加热棒控制连接；在液态锂壁受到等离子体热流轰击时通过控制系统实现温度负反馈控制；具体为：液态锂壁遭受等离子体热流轰击后温度迅速上升，当超过其温度阈值时，通过控制系统将直流电源输出电压调零，液态锂壁中的加热棒停止工作；同时利用控制系统控制开启供气阀，再通过冷却管道通入惰性气体，快速降低液态锂壁的温度；当液态锂壁的温度低于其温度阈值时，关闭供气阀停止通入惰性气体，同时调节直流电源输出电压，加热棒再次工作逐渐升温，使液态锂壁的温度维持在工作温度范围内；
所述的液态锂壁是一块液态锂限制器，尺寸为350mm×320mm，基底为Cu热沉，利用热等静压工艺在其正面焊接0.5mm厚的不锈钢导流板，所述冷却管道、加热棒均布在热沉背面；
所述的冷却管道是一根φ1/2in的SS316无缝管，一端与供气阀出口连接，另一端直接暴露大气，中间部分弯曲成“跑道”形，布在液态锂壁的中间位置，“跑道”长200mm，两侧半圆直径50mm；所述的加热棒为铠装结构，有两种不同加热功率，分别为1.5KW和2KW，前者有两块，尺寸为120mm×30mm×5mm，布在冷却管道下方；后者有一块，尺寸为220mm×30mm×5mm，布在冷却管道上方；所述的控制系统包括PLC模块、温度测量模块、一台可编程直流电源和一台IPC；所述的PLC模块为SIEMENS PLC，CPU315-2 PN/DP；所述的可编程直流电源的技术参数是AC 220V/10A输入，三路DC 0-220V/0-10A输出；使用带模拟量输出模块的PLC模块调节热沉背面加热棒的加热功率；所述的温度测量模块为带有温度测量模块的LXI仪器，型号为 Agilent34972A温度采集器与十四根分布在热沉背面不同位置的K型热电偶阵列连接，用来获取温度数据；所述的IPC作为主站，通过一个具有手动分配的静态IP地址的LAN路由器与所有仪器进行通信，操作人员通过IPC向仪器发送命令和配置信息，所有的测量数据将被传送到IPC进行监视和存储，可以评估液态锂壁表面的温度，控制加热棒的启动/停止和供气阀的开启/关闭，实现对液态锂壁的温度负反馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的惰性气体储气瓶为氩气瓶，惰性气体为氩气。
3.根据权利要求2所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的减压阀是全铜氩气减压阀，用来调节和测量高压氩气的气压，型号为YQAR-370，输出压力范围0.4-4.0MPa。
4.根据权利要求1所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的供气阀是一只防爆电磁阀，型号为BZCD-1，通径1mm，工作压力4.0MPa。
5.根据权利要求1所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于:所述的等离子体热流是指等离子体中大量的高能电子、离子及中性粒子所携带的能量以及电磁辐射，在等离子体的边界区域，它们与等离子体的真空室壁发生强烈的相互作用。
6.根据权利要求1所述的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制系统，其特征在于：所述的温度阈值是液态锂壁的正常工作温度T，270℃≤T≤350℃。
7.一种基于权利要求1所述系统的一种面向等离子体的液态锂壁的温度负反馈控制方法，其特征在于：①减压阀安装在惰性气体储气瓶上，减压阀出气口与供气阀进气口通过气管焊接连接，冷却管道的一端接在供气阀出气口，另一端用堵头密封；②调节减压阀向冷却管道通入3.3-3.5MPa惰性气体，并保压20-24h检漏；不漏后卸掉堵头，使冷却管道一端暴露大气；③液态锂壁在真空交换室中安装维护完毕后，通过支撑传动杆将液态锂壁移动到等离子体放电真空室外侧；④利用控制系统发送命令至可编程直流电源，调节加热棒的加热功率，将液态锂壁的温度升至其工作温度T，270℃≤T≤350℃；温度数据由控制系统中的热电偶阵列采集，并采用软件滤波器来丢弃异常值获得精确的液态锂壁的温度；⑤再次利用支撑传动杆将液态锂壁推至等离子体切面位置，随着等离子体放电的进行，液态锂壁遭受等离子体热流轰击后温度迅速上升；当超过350℃时，通过控制系统将直流电源输出电压调零，液态锂壁中的加热棒停止工作；同时利用控制系统远程开启供气阀，再通过冷却管道通入压力为3MPa的惰性气体，快速降低液态锂壁的温度；当液态锂壁的温度低于270℃时，关闭供气阀停止通入惰性气体；⑥将液态锂壁退至等离子体放电真空室外侧；⑦等待下一炮等离子体放电，重复步骤④、⑤和⑥。
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