CN112783033B - 磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法 - Google Patents

磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112783033B
CN112783033B CN202011608520.2A CN202011608520A CN112783033B CN 112783033 B CN112783033 B CN 112783033B CN 202011608520 A CN202011608520 A CN 202011608520A CN 112783033 B CN112783033 B CN 112783033B
Authority
CN
China
Prior art keywords
elm
vacuum
injection
impurity
early warning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011608520.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112783033A (zh
Inventor
张轶泼
钟武律
孙平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwestern Institute of Physics
Original Assignee
Southwestern Institute of Physics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwestern Institute of Physics filed Critical Southwestern Institute of Physics
Priority to CN202011608520.2A priority Critical patent/CN112783033B/zh
Publication of CN112783033A publication Critical patent/CN112783033A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112783033B publication Critical patent/CN112783033B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/05—Thermonuclear fusion reactors with magnetic or electric plasma confinement
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11—Details
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25257—Microcontroller
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明属于可控核聚变技术领域，具体涉及一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法。本发明包括：真空对接系统，用于与核聚变装置对接；杂质注入系统，用于对注入杂质的控制；ELM预警系统，用于对ELM类别进行快速实时识别和预警。本发明极大地提高磁约束核聚变等离子体边缘局域模控制的实时性和可靠性。

Description

磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法
技术领域
本发明属于可控核聚变技术领域，具体涉及一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法。
背景技术
磁约束等离子体高约束模式(H模)是聚变堆自维持的运行方式，H模的主要特征是在等离子体边缘形成陡峭的压强梯度，从而导致等离子体边缘局域模(ELM)的产生。ELM爆发期间大量的等离子体粒子和储能从等离子体内损失出来，这些粒子和能量沉积在装置第一壁形成极强的热负荷，当超过壁材料承载极限时将导致壁材料熔化腐蚀，甚至损毁，从而对装置的安全运行构成致命的威胁。此外，ELM爆发导致的粒子轰击第一壁时会把杂质带入等离子体，造成等离子体受到污染，降低等离子体品质。随着聚变装置尺寸和等离子体参数的不断增加，ELM爆发强度也随之大幅增强，例如国际热核实验堆(ITER)装置一次ELM爆发将有20MJ的能量沉积在装置第一壁，壁材料所承受的热沉积已远远高于其承受极限。因此，必须对ELM进行控制，以降低其破坏性，保障装置的安全运行。
目前磁约束核聚变等离子体边缘局域模控制采用的是预设系统触发时间，也就是不具有ELM实时控制功能，所以无法实时根据ELM类别和状态实施相应的控制，因此ELM控制效果和成功率均较差，无法达到理想状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法，极大地提高磁约束核聚变等离子体边缘局域模控制的实时性和可靠性。
本发明采用的技术方案：
一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统，该系统包括：真空对接系统，用于与核聚变装置对接；杂质注入系统，用于对注入杂质的控制；ELM预警系统，用于对ELM类别进行快速实时识别和预警。
所述真空对接系统包括对接法兰、高真空插板阀、真空管道、真空抽口、波纹管、真空泵和转接法兰，真空度1×10-5Pa；真空漏率1×10-10PaL/s；真空泵为罗茨泵，抽速：70L/S。
所述对接法兰位于真空管道前端，用于与核聚变装置对接；高真空插板阀位于真空管道中段，用于关闭和连通核聚变装置和真空管道之间的真空，方便系统的安装和调试；真空抽口位于真空管道中段，其后端依次链接波纹管和真空泵，用于真空对接系统的真空抽取，与高真空插板阀配合，方便系统的安装和调试；转接法兰位于真空管道后端，用于杂质注入系统的对接安装。
所述杂质注入系统包括杂质注入器、注入控制器、注入量控制器和触发信号发生器，系统反应时间小于2ms；注入杂质速度可控，其范围为300-1000m/s；杂质注入量可控，原子数范围为1014-18个；杂质注入脉冲宽度可控，其范围为1-100ms；杂质注入频率可控，其范围为1-100Hz。
所述杂质注入器通过转接法兰与真空对接系统相连；注入控制器通过信号电缆与杂质注入器相连，用于控制杂质注入的动作；注入控制器后端通过信号电缆分别与注入量控制器和触发信号发生器连接，用于获得触发信号和注入参数信息。
所述ELM预警系统包括中央处理系统、高时空分辨诊断数据获取系统和ELM人工智能预警算法，高时空分辨诊断数据获取系统用于获得ELM实时信息；高时空分辨诊断数据获取系统通过信号电缆与ELM人工智能预警算法相连，ELM人工智能预警算法通过分析ELM实时信息快速识别出ELM类型和参数；中央处理系统根据ELM人工智能预警算法识别出的ELM类型和参数，向ELM控制系统下达系统启动和注入参数指令。
一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤一、高时空分辨诊断数据获取系统把ELM相关高时空分辨测量数据传输至ELM人工智能预警算法；
步骤二、ELM人工智能预警算法对ELM类别进行快速实时识别和预警，并把结果传输至中央处理系统；
步骤三、中央处理系统根据识别结果，通过触发信号发生器和注入量控制器向杂质注入系统发送启动和注入量指令；
步骤四、注入控制器收到指令后控制杂质注入器向等离子体注入所需杂质；
步骤五、杂质注入器所注入杂质通过真空对接系统注入磁约束核聚变等离子体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)针对目前磁约束核聚变等离子体边缘局域模控制存在的不足，本发明通过深度融合人工智能ELM预警技术和精确可控杂质注入技术，实现ELM的实时控制，非常有效地解决了目前ELM控制存在的问题。
(2)本发明提供一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法，有效地解决了目前磁约束核聚变等离子体边缘局域模控制存在的无实时性和ELM控制效果差的问题，非常适用于磁约束核聚变装置ELM实时控制。
附图说明
图1磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统示意图。
其中，1-对接法兰、2-高真空插板阀、3-真空管道、4-真空抽口、5-波纹管、6-真空泵、7-转接法兰、8-杂质注入器、9-注入控制器、10-注入量控制器、11-中央处理系统、12-触发信号发生器、13-高时空分辨诊断数据获取系统、14-ELM人工智能预警算法。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统作进一步详细说明。
目前的磁约束核聚变等离子体边缘局域模控制采用预设系统触发，不具备实时控制功能，从而导致ELM控制效果和成功率均较差。为解决这一难题，本发明提供一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统，如图1所示，该系统包括：对接法兰1、高真空插板阀2、真空管道3、真空抽口4、波纹管5、真空泵6、转接法兰7、杂质注入器8、注入控制器9、注入量控制器10、中央处理系统11、触发信号发生器12、高时空分辨诊断数据获取系统13和ELM人工智能预警算法14。
其中，对接法兰1、高真空插板阀2、真空管道3、真空抽口4、波纹管5、真空泵6和转接法兰7构成真空对接系统，材料为不锈钢304；真空度1×10-5Pa；真空漏率1×10-10PaL/s；真空泵6为罗茨泵，抽速：70L/S。如图1所示，对接法兰1位于真空管道3前端，用于与核聚变装置对接；高真空插板阀2位于真空管道3中段，用于关闭和连通核聚变装置和真空管道3之间的真空，方便系统的安装和调试；真空抽口4位于真空管道3中段，其后端依次链接波纹管5和真空泵6，用于真空对接系统的真空抽取，与高真空插板阀2配合，方便系统的安装和调试；转接法兰7位于真空管道3后端，用于杂质注入系统的对接安装。
杂质注入器8、注入控制器9、注入量控制器10和触发信号发生器12构成杂质注入系统，系统反应时间小于2ms；注入杂质速度可控，其范围为300-1000m/s；杂质注入量可控，原子数范围为1014-18个；杂质注入脉冲宽度可控，其范围为1-100ms；杂质注入频率可控，其范围为1-100Hz。。如图1所示，杂质注入器8通过转接法兰7与真空对接系统相连；注入控制器9通过信号电缆与杂质注入器8相连，用于控制杂质注入的动作；注入控制器9后端通过信号电缆分别与注入量控制器10和触发信号发生器12连接，用于获得触发信号和注入参数信息。
中央处理系统11、高时空分辨诊断数据获取系统13和ELM人工智能预警算法14构成ELM预警系统。如图1所示，高时空分辨诊断数据获取系统13用于获得ELM实时信息；高时空分辨诊断数据获取系统13通过信号电缆与ELM人工智能预警算法14相连，ELM人工智能预警算法14通过分析ELM实时信息快速识别出ELM类型和参数；中央处理系统11根据ELM人工智能预警算法14识别出的ELM类型和参数，向ELM控制系统下达系统启动和注入参数指令。
本发明提供的一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法，其应用对象包括磁约束核聚变托卡马克装置和仿星器装置。通过高时空分辨诊断数据获取系统、ELM人工智能预警、中央处理系统和杂质注入器，实现对等离子体边缘局域模实时控制。高时空分辨诊断数据获取系统包括氘αDα阵列、电子密度剖面分布、离子温度剖面分布、软X射线阵列、等离子体热辐射阵列、等离子体储能，其时空分辨为0.1ms和1cm。
磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制的步骤如下：
步骤一、高时空分辨诊断数据获取系统13把ELM相关高时空分辨测量数据传输至ELM人工智能预警算法14；
步骤二、ELM人工智能预警算法14对ELM类别进行快速实时识别和预警，并把结果传输至中央处理系统11；
步骤三、中央处理系统11根据识别结果，通过触发信号发生器12和注入量控制器10向杂质注入系统发送启动和注入量指令；
步骤四、注入控制器9收到指令后控制杂质注入器8向等离子体注入所需杂质；
步骤五、杂质注入器9所注入杂质通过真空对接系统注入磁约束核聚变等离子体。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统，其特征在于，该系统包括：真空对接系统，用于与核聚变装置对接；杂质注入系统，用于对注入杂质的控制；ELM预警系统，用于对ELM类别进行实时识别和预警；
所述真空对接系统包括对接法兰(1)、高真空插板阀(2)、真空管道(3)、真空抽口(4)、波纹管(5)、真空泵(6)和转接法兰(7)，真空度1×10-5Pa；真空漏率1×10-10PaL/s；真空泵(6)为罗茨泵，抽速：70L/S；
所述对接法兰(1)位于真空管道(3)前端，用于与核聚变装置对接；高真空插板阀(2)位于真空管道(3)中段，用于关闭和连通核聚变装置和真空管道(3)之间的真空；真空抽口(4)位于真空管道(3)中段，其后端依次链接波纹管(5)和真空泵(6)，用于真空对接系统的真空抽取，与高真空插板阀(2)配合，方便系统的安装和调试；转接法兰(7)位于真空管道(3)后端，用于杂质注入系统的对接安装；
所述杂质注入系统包括杂质注入器(8)、注入控制器(9)、注入量控制器(10)和触发信号发生器(12)，系统反应时间小于2ms；注入杂质速度可控，其范围为300-1000m/s；杂质注入量可控，原子数范围为1014-18个；杂质注入脉冲宽度可控，其范围为1-100ms；杂质注入频率可控，其范围为1-100Hz；
所述杂质注入器(8)通过转接法兰(7)与真空对接系统相连；注入控制器(9)通过信号电缆与杂质注入器(8)相连，用于控制杂质注入的动作；注入控制器(9)后端通过信号电缆分别与注入量控制器(10)和触发信号发生器(12)连接，用于获得触发信号和注入参数信息；
所述ELM预警系统包括中央处理系统(11)、高时空分辨诊断数据获取系统(13)和ELM人工智能预警算法(14)，高时空分辨诊断数据获取系统(13)用于获得ELM实时信息；高时空分辨诊断数据获取系统(13)通过信号电缆与ELM人工智能预警算法(14)相连，ELM人工智能预警算法(14)通过分析ELM实时信息识别出ELM类型和参数；中央处理系统(11)根据ELM人工智能预警算法(14)识别出的ELM类型和参数，向ELM控制系统下达系统启动和注入参数指令。
2.基于权利要求1所述的一种磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、高时空分辨诊断数据获取系统(13)把ELM相关高时空分辨测量数据传输至ELM人工智能预警算法(14)；
步骤二、ELM人工智能预警算法(14)对ELM类别进行实时识别和预警，并把结果传输至中央处理系统(11)；
步骤三、中央处理系统(11)根据识别结果，通过触发信号发生器(12)和注入量控制器(10)向杂质注入系统发送启动和注入量指令；
步骤四、注入控制器(9)收到指令后控制杂质注入器(8)向等离子体注入所需杂质；
步骤五、杂质注入器(8)所注入杂质通过真空对接系统注入磁约束核聚变等离子体。
CN202011608520.2A 2020-12-30 2020-12-30 磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法 Active CN112783033B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011608520.2A CN112783033B (zh) 2020-12-30 2020-12-30 磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011608520.2A CN112783033B (zh) 2020-12-30 2020-12-30 磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112783033A CN112783033A (zh) 2021-05-11
CN112783033B true CN112783033B (zh) 2022-08-19

Family

ID=75753427

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011608520.2A Active CN112783033B (zh) 2020-12-30 2020-12-30 磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112783033B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113543440B (zh) * 2021-06-16 2022-06-24 核工业西南物理研究院 一种基于电子回旋波的阿尔芬模实时控制系统及方法
CN113792620B (zh) * 2021-08-27 2023-08-18 核工业西南物理研究院 基于深度神经网络的托卡马克边缘局域模实时识别算法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3248044B2 (ja) * 1994-07-22 2002-01-21 株式会社日立製作所 核融合炉用プラズマ緊急停止装置
JP3822407B2 (ja) * 2000-01-14 2006-09-20 株式会社東芝 核融合炉のダイバータ制御装置
CN103413574B (zh) * 2013-07-18 2016-08-10 核工业西南物理研究院 一种超声分子束注入装置
CN104795111B (zh) * 2015-04-21 2018-04-17 西安交通大学 一种利用电热推进对托卡马克装置加料的方法及装置
CN106935275A (zh) * 2015-12-30 2017-07-07 核工业西南物理研究院 一种核聚变等离子体高约束模式控制方法
CN106483922A (zh) * 2016-09-26 2017-03-08 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于超导托卡马克装置的真空监控系统
CN107146640A (zh) * 2017-05-09 2017-09-08 中国科学院合肥物质科学研究院 适用聚变堆的稳态高约束高频小幅度边界局域模运行方法
CN107591212A (zh) * 2017-08-23 2018-01-16 中国科学院合肥物质科学研究院 适用聚变堆的低杂波调制触发高频边缘局域模的方法
US11087891B2 (en) * 2017-12-21 2021-08-10 General Atomics Methods and apparatus for mitigating plasma disruption in fusion devices
CN110646834A (zh) * 2018-06-26 2020-01-03 核工业西南物理研究院 应用于高真空装置的全密封精确定位调节机构
CN110850763B (zh) * 2019-11-01 2022-08-30 中国科学院合肥物质科学研究院 一种中性束注入器分布式定时同步方法和系统
CN110849430A (zh) * 2019-11-19 2020-02-28 中国科学院合肥物质科学研究院 一种聚变装置中对杂质注入量实时监测的方法
CN110836693B (zh) * 2019-11-19 2021-08-13 中国科学院合肥物质科学研究院 一种测量杂质弹丸大小及注入频率的方法及装置
CN111081389B (zh) * 2019-12-09 2022-08-16 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于聚变装置等离子体杂质注入的机构及方法
CN111063458B (zh) * 2019-12-25 2022-08-16 中国科学院合肥物质科学研究院 一种精确标定等离子体注入杂质的装置及方法
CN111308942B (zh) * 2020-03-31 2023-08-29 中国科学技术大学 一种用于反场箍缩核聚变装置主动控制的信号获取与处理系统及方法
CN111403056B (zh) * 2020-03-31 2023-02-03 中国科学院合肥物质科学研究院 一种适用于磁约束等离子体的快电子测量探针系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112783033A (zh) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112783033B (zh) 磁约束核聚变等离子体边缘局域模实时控制系统及方法
Pautasso et al. On-line prediction and mitigation of disruptions in ASDEX Upgrade
Milora et al. Results of hydrogen pellet injection into ISX-B
US20160141053A1 (en) Supersonic molecular beam injecting device
CN210805246U (zh) 一种磁约束聚变装置燃料补充设备
Li et al. First results of pellet injection experiments on EAST
Bell et al. TFTR confinement results
Gao et al. Numerical simulation of Li-pellet injection experiments for ELM-pacing in EAST
Benford et al. Transport of Intense Relativistic Electron Beams in a Z Pinch
Kwak et al. Key Features in the Operation of KSTAR
Mirnov et al. Tests of the cryogenic target for lithium and hydrogen isotopes extraction from the chamber of T-11M tokamak without its venting
Combs et al. A technique for producing large dual-layer pellets in support of disruption mitigation experiments
Moreau et al. Plasma control in tore supra
Piron et al. Experimental and modelling study of locked mode dynamics prior to disruptions in high performance JET plasmas
Xiao et al. Fueling performance of supersonic molecular beam injection on the J-TEXT tokamak
Combs et al. New ORNL pellet injection system and installation/initial operations on MST
Promping et al. Numerical study of supersonic molecular beam injection system in Thailand Tokamak I
Kocsis et al. Investigation of pellet cloud dynamics in the magnetic geometry of Wendelstein 7-X stellarator
Cao et al. Development and implementation of Divertor Fast Particles Injection for EAST tokamak
CN220554130U (zh) 一种用于激光质子加速器装置的真空监控系统
Cecchi et al. Reduction of recycling by pumping at the PDX limiter
CN117393183B (zh) 一种利用粉末反馈注入控制等离子体边界燃料粒子返流的方法
Gouge et al. Tritium pellet injector for TFTR
Schult et al. Study of the production of heavy Λ-hypernuclei in the (p, K+)-reaction
Hu et al. Development of wall conditioning, plasma fueling and ELM control in EAST in the last few years

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant