CN110553596B - 一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，包括状态监测系统、等离子体诊断系统、温度监测系统、数据处理系统。其中状态监测系统包括电阻应变片、光纤光栅传感器；温度监测系统包括光纤光栅温度传感器、热电偶；等离子体诊断系统包括主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶；数据处理系统接收与处理状态监测系统、温度监测系统、等离子体诊断系统采集的数据，并提供综合对比、辅助分析。本发明覆盖了聚变堆装置内部部件几乎所有关键位置，根据到等离子体的距离，对这些部件形成了多层次、全面的状态（应变、位移、振动等）、温度监测和边界等离子体诊断。

Description

一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统
技术领域
本发明涉及聚变堆部件监测与等离子体诊断系统研究领域，具体是一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统。
背景技术
托卡马克等聚变堆装置的真空室、结构框架、偏滤器、包层等内部部件工作环境非常恶劣。它们不仅需要在高真空、高温、强电磁场中工作，同时还受到来自等离子体的高能粒子流的溅射的影响，其中产生的热应力、电磁力以及高能粒子辐照，是这些部件安全、稳定运行的极大威胁。在一些大型、复杂装置中，为了装置的安全运行通常都会开发、安装针对部件的状态检测与诊断系统。但是在聚变装置中，因为受制于它们所处的极端环境，目前开展的内部部件状态监测系统相对较少，导致部件只有在运行中出现问题以后才被发现，从而不得不中止实验进行紧急抢修，影响了装置的科研进程。另外，随着聚变研究工作的不断推进，现有的诊断技术越来越难以满足放电实验下的诊断需求。一般而言，部件上的应力应变大小以及温度高低是判断其是否能保持正常、稳定工作的关键参数。 一方面，像X射线衍射、中子衍射、有限元计算软件等这些应变测量和应力分析的方法，一般只能在实验平台上适用，并作为预研工作的一部分，而直接在装置内部通过搭建、安装部件的应变监测系统，对部件进行诊断的工作，却少有出现。另一方面，对于部件的温度监测与诊断，国际上目前用得最多的是热电偶，然而托卡马克中的热电偶测温有两个重大缺陷，一是其电信号极易受到电磁场干扰，二是其尖端感温点很容易受到扰动而接触不良导致测温不准。最后，对于传统的朗缪尔探针，在聚变等离子体中是很容易发生烧蚀损坏掉的，从而难以长时间稳定工作，现有的一些新型探针也不具有在长脉冲、高参数放电下长时间稳定工作的能力。
在这样的背景条件下，如果能在偏滤器等聚变堆装置内部部件上集成一套由部件状态（比如应变、位移、振动等）监测、温度监测和先进等离子体诊断所组成的综合监测与诊断系统，不仅可以在部件的运行过程中，监测到局部过热和应变过大的现象从而防患于未然；还能通过这些应变、温度数据分析部件的受力、受热情况来计算部件表面等离子体热流，通过等离子体参数分析放电实验中的各种规律，有助于研究实验中关于等离子体与部件之间相互作用的物理问题；更可在未来偏滤器的新设计、再优化中提供重要的参考。因此，这种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统对于托卡马克装置运行以及可控核聚变的研究发展来说都具有重要的意义。
发明内容 本发明的目的是提供一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，以实现对聚变堆装置内部部件的监测和等离子体诊断。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：包括状态监测系统、温度监测系统、等离子体诊断系统、数据处理系统，其中：
1）状态监测系统包括电阻应变片、光纤光栅传感器，安装于内部部件背离等离子体的一侧。其中电阻应变片安装于内部部件背面各个零部件的连接、焊接点位置，用于监测不同零部件之间的表面应变、受力情况，光纤光栅传感器安装于内部部件背面各个部件单元的平坦位置，用于监测各个单元模块自身的表面应变、受力、振动等情况；
2）温度监测系统包括热电偶、光纤光栅温度传感器，安装于内部部件上靠近等离子体打击面的近表面。其中多个热电偶用于监测多个测点的温度，光纤光栅温度传感器用于监测一条线路上的多个测点的温度；
3）等离子体诊断系统包括主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶，安装于内部部件上的等离子体打击面表面，用来测量来自边界等离子体的电信号，进而对等离子体参数进行诊断；
4）数据处理系统包括对态监测系统、温度监测系统、等离子体诊断系统等的数据采集、分析工具。
状态监测系统监测得到的应变数据由胡克定律计算转化为应力，从而得到部件各处的实时受力情况；温度监测系统得到的温度分布数据由红外温度测量原理中的高斯分布方程计算得到辐照面的热流分布；等离子体诊断系统获得的信号通过探针解析仪等设备可以直接得出边界等离子体的电子温度（Te）、电子密度（ne）、离子温度（Ti）以及离子密度（ni）等。除此之外，还可将边界等离子体参数、辐照面热流分布、部件受力分布这三组数据放在一起，按照与中心等离子体距离这一纵向坐标进行横向对比，从而分析等离子体与壁之间的相互作用机制。
所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：状态监测系统中，由电阻应变片测量得到不同零部件之间在机械约束力作用下的应变以及在热应力作用下的应变、位移，并由光纤光栅传感器测量得到内部部件整体受力下的应变、位移与振动。
所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：温度监测系统中，热电偶采用插入式安装于内部部件近表面，光纤光栅温度传感器采用埋入式安装于内部部件近表面，由多个热电偶测量得到内部部件各点温度，并由光纤光栅温度传感器测量得到内部部件近表面温度分布辐分布。
所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：等离子体诊断系统中，由主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶测量得到边界等离子体参数。
所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：数据处理系统除了可以分别对部件监测系统、温度监测系统、等离子体诊断系统进行数据采集和分析外，还可将三者的数据放在同一个位置坐标系内进行横向对比与分析，研究边界等离子体、部件表面、部件背面这三个纵向深度上的等离子体与壁相互作用机制。
所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：各个系统均采用物理固定方式安装于对应位置。
本发明中，聚变堆装置的内部部件包括但不限于偏滤器单元、包层单元和框架支撑结构。
对于偏滤器单元、包层单元、框架支撑结构，状态监测系统中的电阻应变片安装于它们的背面各连接、焊接节点等狭小位置，状态监测系统中的光纤光栅传感器安装于它们的背面平坦位置或者受电磁干扰的位置。
具体的，对于偏滤器单元，在其靶板背面安装电阻应变片和光纤光栅传感器，用于监测靶板与偏滤器盒体之间的受力情况；在靶板近表面安装热电偶和光纤光栅温度传感器，用于测量靶板的温度分布情况、计算表面热流分布等；在其靶板的接触面安装主动水冷朗缪尔探针和表面热电偶，用于诊断边界等离子体参数。
具体的，对于包层单元，在其背面安装电阻应变片和光纤光栅传感器，用于监测靶板与包层结构框架之间的受力情况；在其近表面安装热电偶和光纤光栅温度传感器，用于监测表面温度情况。
根据距离等离子体的距离，主动水冷朗缪尔探针和表面热电偶直接与等离子体接触；测温热电偶和光纤光栅温度传感器不与等离子体接触；电阻应变片和光纤光栅传感背离等离子体。
以上所有系统的安装，均采用焊接或螺钉等物理固定方式进行安装。其中光纤光栅类传感器的封装采用非有机粘合剂的封装方式，以避免对真空的影响。
如附图1所示为本发明所述综合监测与诊断系统的概略图。应用对象为聚变堆装置内部部件，主要包括与等离子体直接接触的面向等离子体部件、用于部件之间连接的固定结构（支撑腿、水管接口等）、真空室及其内部的各种框架结构。等离子体诊断系统安装于面向等离子体部件表面，与等离子体直接接触；温度监测系统安于面向等离子体部件近表面；状态检测系统安装于面向等离子体部件背面、框架结构各处。
本发明的优点主要在于：覆盖了聚变堆装置内部部件几乎所有关键位置，根据到等离子体的距离，对这些部件形成了多层次、全面的状态（应变、位移、振动等）、温度监测和边界等离子体诊断，集部件安全（运行状态）监测和等离子体诊断等多功能于一体，将大大助力于聚变研究工作的发展。
附图说明
图1是本发明本综合监测与诊断系统概略图。
图2是本发明实施实例中EAST上偏滤器单元的具体结构图。
图3是本发明实施实例中状态监测系统安装图示。
图4是本发明实施实例中温度监测系统安装图示。
图5是本发明实施实例中等离子体诊断系统安装图示。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的综合监测与诊断系统所针对的对象为聚变堆装置内部部件，但又不限于特定的部件；监测与诊断方式主要为应变（包括应变、位移、振动等）、温度、等离子体诊段等的组合；监测与诊断所使用的技术包括电阻应变片、光纤光栅传感器、热电偶、新型水冷探针、表面热电偶等，但并不限于特定的型号。以下所述实例仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施实例：针对EAST上偏滤器部件的监测与诊断：
如图1、图2所示，图1和图2中：1—等离子体，2—面向等离子体部件，3—支撑腿、水管接口等连接结构，4—聚变堆装置内部部件框架支撑结构，5—等离子体诊断系统（主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶），6—温度监测系统（热电偶、光纤光栅温度传感器），7—状态监测系统（电阻应变片、光纤光栅传感器），8—数据分析系统。
偏滤器单元从功能上可简单分为直接面向等离子体部件2、支撑腿、水管接口等连接结构3、聚变堆装置内部部件框架支撑结构4三部分组成，其中面向等离子体部件2与等离子体1有直接接触和相互作用。
如图3所示，图3中： 9—电阻应变片，10-光纤光栅传感器（测量应变、位移、振动等），电阻应变片9可安装在各个支撑腿、水管接头等部件的连接处，用于监测这些位置的应变值；光纤光栅传感器10可安装在部件各弯曲节点、且表面平整的位置上，进行受力、振动等状态的监测。
如图4所示，图4中：1—等离子体，11—热电偶，12—光纤光栅温度传感器，13—钨铜穿管模块（W mono-block），以钨铜穿管模块13为例，其近表面可安装热电偶11和光纤光栅温度传感器12，进行温度的分布式监测。
如图5所示，图5中：13—钨铜穿管模块（W mono-block），14—主动水冷朗缪尔探针，15—表面热电偶，在钨铜穿管模块阵列中间可安装主动水冷朗缪尔探针14和表面热电偶15，安装时表面热电偶与探针的尖端表面不低于穿管模块上表面，以便于与等离子体接触从而接收来自等离子体的信号。其中表面热电偶呈矩形阵列排列，主动水冷朗缪尔探针呈十字分布，可进行边界等离子体参数诊断。

Claims (3)

1.一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：包括状态监测系统、温度监测系统、等离子体诊断系统、数据处理系统，其中：状态监测系统包括电阻应变片、光纤光栅传感器，电阻应变片、光纤光栅传感器分别安装于内部部件背离等离子体的背面，其中电阻应变片安装于内部部件背面各零件的连接点、焊接点位置，光纤光栅传感器安装于内部部件背面平坦位置；温度监测系统包括光纤光栅温度传感器、热电偶，光纤光栅温度传感器、热电偶分别安装于内部部件靠近等离子体打击面的近表面；等离子体诊断系统包括主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶，主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶分别安装于内部部件朝向等离子体并承受等离子体打击的打击面表面；数据处理系统接收状态监测系统、温度监测系统、等离子体诊断系统采集的数据，并根据各系统采集的数据综合分析聚变堆装置内部部件和边界等离子体的各项参数；
所述的状态监测系统中，由电阻应变片测量得到不同零件之间在机械约束力作用下的应变以及在热应力作用下的应变、位移，并由光纤光栅传感器测量得到内部部件各个单元在受力下的应变、位移与振动；
所述的温度监测系统中，热电偶采用插入式方法安装于内部部件近表面，光纤光栅温度传感器采用埋入式安装于内部部件近表面，由多个热电偶测量得到内部部件各点温度，由光纤光栅温度传感器测量得到内部部件近表面温度分布，并计算表面热流分布；
所述的等离子体诊断系统中，由主动水冷朗缪尔探针、表面热电偶诊断边界等离子体的参数。
2.根据权利要求1所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：数据处理系统是集状态监测、温度监测、等离子体参数诊断这三者的数据处理于一体的系统，一方面能接收、处理状态监测、温度监测、等离子体诊断各自的数据，另一方面能整合三者数据进行对比，辅助分析等离子体与部件的相互作用情况。
3.根据权利要求1所述的一种应用于聚变堆装置内部部件的综合监测与诊断系统，其特征在于：各个系统均采用物理固定方式安装于对应位置。
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