CN117393183A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开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，包括：利用可见光谱诊断系统测量实时Da值；在等离子体控制系统中使用低通滤波器对测量的Da值进行滤波处理，同时设定目标Da值的大小，当实际Da值大于设定的目标Da值时，计算输出控制电压信号；输出电压值的大小最终决定锂粉注入流量的大小；利用波幅映射转换器转换等离子体控制系统输入的电压信号为正弦波信号，并输出至锂粉注入系统；锂粉注入系统接收电压信号，向聚变装置中注入锂粉；通过注入的锂粉吸附等离子体和器壁发生相互作用产生的燃料粒子，从而减少燃料粒子的返流。本发明在等离子体放电过程中根据实时再循环水平，自动调整粉末注入流量，实现燃料再循环的实时控制。
Description
技术领域
本发明涉及聚变反应堆领域，主要涉及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，具体是利用粉末实时反馈注入，从而实现对边界燃料粒子返流的控制。
背景技术
在磁约束核聚变装置中，来自上亿度高温等离子体的强热流、粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用，部分燃料粒子直接从器壁反弹，再次进入等离子体，另一部分燃料粒子通过吸附、离子注入、共同沉积等方式滞留在器壁表面，在等离子体放电粒子及热流的作用下从器壁释放返回等离子体，这些燃料粒子来自等离子体与器壁作用后再次返流进入等离子体的过程称作再循环，它直接影响等离子体密度控制、长脉冲高参数等离子体获得及其约束性能。
为减少等离子体器壁表面燃料粒子的释放，降低粒子再循环水平，各种面向等离子体的壁材料及其表面处理壁处理技术不断被探索。目前在托卡马克装置中研究的面向等离子体的器壁材料主要是石墨、钨和铍等材料。石墨作为等离子体器壁材料存在一些缺点，如需要长时间壁处理、化学腐蚀会导致其寿命降低、中子辐射下物理和机械性能降低、产生灰尘、等离子体破裂时高热负载下破碎损伤，尤其会造成严重的燃料滞留，导致在等离子体放电过程中氢同位素的大量释放。钨材料目前也被选择为器壁的材料，但是由于其原子数高，等离子体对其容忍的含量很低以及氧对其化学腐蚀及高活化性可能会影响其广泛应用。铍具有较低的熔化温度、潜在的有毒性、相对高的溅射率，其应用受到一定限制，一般用于能流密度不高的等离子体壁材料。常规的壁处理方式有烘烤、直流辉光放电清洗、离子回旋放电清洗等，最常用的方法是升高器壁的温度，但烘烤的最高温度受到密封材料和周围条件的限制。通过低能量的直流辉光放电清洗、基于射频技术的离子回旋放电等低温等离子体放电清洗技术可以清除器壁滞留的燃料粒子。辉光放电清洗技术已经非常成熟，但必须在装置磁场很小时工作，严重的限制了其在未来超导托卡马克装置中应用。离子回旋放电清洗可以在很强的磁场条件下使用，适用于超导托卡马克装置的强磁场环境。然而，这些常用的放电清洗技术，由于放电清洗的功率相对较低，难以实现对器壁滞留燃料粒子的完全清除。为了进一步提高器壁与高温等离子体兼容性，改善粒子再循环，还需要在器壁表面上涂覆一层低原子序数材料，常用的涂层材料是与等离子体兼容性好的硅、硼、锂等低原子序数材料。同时EAST还发展了一套粉末注入系统，可用于在放电过程中实时注入粉末，达到改善壁条件的目的，进而降低再循环水平。
但是这些壁处理的方法只能放电前进行处理，不能在放电过程中实时处理。目前粉末注入的方式，可以实现放电过程中实时处理再循环，但是只能预设粉末注入的固定流量值，不能根据实验过程中实时再循环水平进行流量的调整。在这种情况下，随着聚变装置等离子体脉冲长度的拉长，燃料粒子再循环的控制变得更加困难。因为随着脉冲长度拉长，器壁滞留的燃料粒子将达到饱和，随着器壁温度的上升波动将非常容易释放出来重新进入等离子体，引起粒子返流，增强粒子再循环，严重制约长脉冲放电中等离子体密度控制，甚至导致放电的终止。在千秒量级长脉冲尺度难以通过现有的第一壁预处理、固定流量粉末注入的方式实现燃料再循环的有效控制，严重制约长脉冲等离子体放电的获得及稳态维持。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供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，以解决聚变装置内等离子体长脉冲燃料粒子再循环控制的难题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
步骤1：利用可见光谱诊断系统测量实时Da值，Da值大小定性地反映了燃料再循环的水平高低；
步骤2：在等离子体控制系统中使用低通滤波器对测量的Da值进行滤波处理，同时设定目标Da值的大小，当实际Da值大于设定的目标Da值时，根据PID算法公式，计算输出控制电压信号，差值越大，输出电压值越大。输出电压值的大小最终决定锂粉注入流量的大小。当实际Da值小于等于设定的目标Da值时，输出电压值大小为0；
步骤3：利用波幅映射转换器转换PCS输入的电压信号为正弦波信号，并输出至锂粉注入系统；
步骤4：锂粉注入系统接收电压信号，向聚变装置中注入锂粉。通过注入的锂粉吸附等离子体和器壁发生相互作用产生的燃料粒子，从而减少燃料粒子的返流，同时Da线辐射强度也会减小。循环以上步骤，直至放电结束。
更进一步地，所述可见光谱诊断系统通过在聚变装置水平窗口的上部和下部安装反射镜，从而探测为上、下偏滤器区域和部分内壁的Da线辐射强度；
更进一步地，所述等离子控制系统为能够在获取等离子体参数诊断信息的基础上，运行控制算法实现等离子体参数的控制系统，所述PID算法公式为,其中/>，/>表示设定的目标值Da，/>表示t时刻Da的值。/>分别为比例、积分、差值参数，为输出的电压值。
更进一步地，所述波幅映射转换器用于将输入信号输出为幅值为对应电压值大小、特定频率的正弦波信号，分为信号输入模块、信号处理模块、信号输出模块、显示模块，其中信号输入模块包括信号隔离放大器、电阻分压电路，将输入信号电压值按比例缩放到0-3.3V，以便于信号处理模块采集。信号处理模块采集输入的电压信号，采集口每隔10ms采集一个点，然后用该点的值作为正弦波信号的幅值，一直生成该幅值大小频率为2250HZ的正弦波，每个周期生成256个点，直到采集到下一个点，重复执行上过程。0-3.3V输入的电压信号，经过信号处理模块之后，转换成频率为2250HZ、幅值为对应时刻输入电压值大小的正弦波电压信号。信号输出模块主要实现输出的正弦信号的射随、滤波和放大功能。射随和滤波电路用于消除生成模拟信号中的噪声，而放大电路用于将原先缩放的电压值重新按比例扩大到0-5V。显示模块用于显示当前时刻的电压值和输出正弦波信号的频率。
更进一步地，所述锂粉注入系统核心部件为一个中间带小圆孔的压电陶瓷片，压电陶瓷片的上方是存储锂粉的通底圆柱形容器，下方连接导管通往聚变装置。压电陶瓷片施加正弦波电压振动时，锂粉滑向小圆孔进入聚变装置。正弦波电压信号的幅值影响陶瓷片振动幅度，从而影响锂粉注入流量。
本发明的优点是：
本发明利用粉末注入控制边界燃料粒子返流，在等离子体放电过程中根据实时再循环水平，自动调整粉末注入流量，实现燃料再循环的实时控制。一方面当再循环水平较低时，可以避免注入过多的粉末造成浪费，另一方面当再循环水平持续升高时，可以增大粉末注入流量，降低再循环水平，进而达到降低在等离子体放电过程中燃料粒子返流的目的，促进聚变装置科学目标的实现，为未来聚变装置燃料粒子控制开拓新思路。
附图说明
图1是本发明的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流程图；
图中，1聚变装置、2锂粉注入系统、3等离子体、4Da线辐射、5可见光谱诊断系统、6等离子体控制系统（PCS）、7波幅映射转换器、8器壁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的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包括聚变装置1、等离子体3、可见光谱诊断系统5、等离子体控制系统（PCS）6、器壁8、波幅映射转换器7和锂粉注入系统2；所述聚变装置1为磁约束聚变反应装置，所述的等离子体3在聚变装置1内进行产生及维持；所述Da线辐射4为氘原子从激发态跃迁时发出的辐射，用于表征等离子体3边界燃料粒子水平；所述可见光谱诊断系统5在聚变装置1水平窗口的上部和下部安装反射镜用以探测为上、下偏滤器区域和部分内壁的Da线辐射4强度。所述等离子体控制系统（PCS）6在获取等离子体3参数诊断信息的基础上，运行控制算法实现对等离子体3的反馈控制；所述器壁8是聚变装置1内面向等离子体3的腔室壁，所述波幅映射转换器7用于将等离子体控制系统（PCS）6输出信号转换为幅值为对应电压值大小、特定频率的正弦波信号；所述锂粉注入系统2布置在聚变装置1顶部位置，接受到波幅映射转换器7输出信号后向聚变装置中注入锂粉。锂粉注入系统2依次连接波幅映射转换器7、等离子体控制系统（PCS）6和可见光谱诊断系统5。
所述波幅映射转换器7用于将输入信号输出为幅值为对应电压值大小、特定频率的正弦波信号，分为信号输入模块、信号处理模块、信号输出模块、显示模块，其中信号输入模块包括信号隔离放大器、电阻分压电路，将输入信号电压值按比例缩放到0-3.3V，以便于信号处理模块采集。信号处理模块采集输入的电压信号，采集口每隔10ms采集一个点，然后用该点的值作为正弦波信号的幅值，一直生成该幅值大小频率为2250Hz的正弦波，每个周期生成256个点，直到采集到下一个点，重复执行上过程。0-3.3V输入的电压信号，经过信号处理模块之后，转换成频率为2250Hz、幅值为对应时刻输入电压值大小的正弦波电压信号。信号输出模块主要实现输出的正弦信号的射随、滤波和放大功能。射随和滤波电路用于消除生成模拟信号中的噪声，而放大电路用于将原先缩放的电压值重新按比例扩大到0-5V。显示模块用于显示当前时刻的电压值和输出正弦波信号的频率。
所述锂粉注入系统2核心部件为一个中间带小圆孔的压电陶瓷片，压电陶瓷片的上方是存储锂粉的通底圆柱形容器，下方连接导管通往聚变装置。压电陶瓷片施加正弦波电压振动时，锂粉滑向小圆孔进入聚变装置。正弦波电压信号的幅值影响陶瓷片振动幅度，从而影响锂粉注入流量。
放电开始前，先在等离子体控制系统（PCS）6中设置控制算法执行开始时间、结束时间；在放电过程中，利用可见光谱诊断系统5测量实时Da线辐射4强度，Da线辐射4强度值大小表征了等离子体3与器壁8相互作用过程中再循环水平的高低；等离子体控制系统（PCS）6获取聚变装置1放电开始时间，设置放电开始3s后Da线辐射4强度的1.5倍作为目标值，在控制算法执行期间，使用低通滤波器对测量的Da值进行滤波处理，当实际Da线辐射4强度大于目标值时，根据PID算法公式，计算输出电压值大小。所述PID算法公式为,其中/>，/>表示设定的目标值Da，/>表示t时刻Da的值；/>分别为比例、积分、差值参数，为输出的电压值。
输出电压值的大小最终决定锂粉注入系统2注入锂粉流量的大小。当实际Da值小于等于设定的目标Da值时，输出电压值大小为0，即锂粉注入系统2不注入锂粉，根据计算值持续输出相应大小电压值的信号至波幅映射转换器7；波幅映射转换器7接受到等离子体控制系统（PCS）6传输的电压信号后，采集口每隔10ms采集一个点，然后用该点的值作为正弦波信号的幅值，一直生成该幅值大小频率为2250Hz的正弦波，每个周期生成256个点，直到采集到下一个点，重复执行上过程。最终转换成频率为2250Hz、幅值为对应时刻输入电压值大小的正弦波电压信号输出至锂粉注入系统2；锂粉注入系统2接收到正弦波电压信号，正弦波电压信号的幅值大小决定向聚变装置1中注入锂粉的流量。通过注入的锂粉吸附等离子体3和器壁8发生相互作用产生的燃料粒子，从而减少燃料粒子的返流，同时Da线辐射4强度也会减小。重复以上步骤，直至控制算法结束时间。通过以上方法，根据Da线辐射4强度表征的燃料粒子再循环水平反馈控制锂粉注入流量，通过锂粉反馈注入的方式实现对燃料粒子再循环的控制，为聚变装置的高参数、长脉冲稳态运行提供一种全新的技术支持。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (5)
1.一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，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用可见光谱诊断系统测量实时Da值，Da值大小反映了等离子体与壁相互作用过程中燃料再循环水平高低；
步骤2：在等离子体控制系统中使用低通滤波器对测量的Da值进行滤波处理，同时设定目标Da值的大小，当实际Da值大于设定的目标Da值时，根据PID算法公式，计算输出控制电压信号，差值越大，输出电压值越大；输出电压值的大小最终决定锂粉注入流量的大小；当实际Da值小于等于设定的目标Da值时，输出电压值大小为0；
步骤3：利用波幅映射转换器转换等离子体控制系统输入的电压信号为正弦波信号，并输出至锂粉注入系统；
步骤4：锂粉注入系统接收电压信号，向聚变装置中注入锂粉；通过注入的锂粉吸附等离子体和器壁发生相互作用产生的燃料粒子，从而减少燃料粒子的返流，同时Da线辐射强度也会减小；循环以上步骤，直至放电结束。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：
所述步骤1中，所述可见光谱诊断系统通过在聚变装置水平窗口的上部和下部安装反射镜，从而探测为上、下偏滤器区域和部分内壁的Da线辐射强度。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：
在所述步骤2中，所述等离子控制系统为能够在获取等离子体参数诊断信息的基础上，运行控制算法实现等离子体参数的控制系统，所述PID算法公式为,其中/>，/>表示设定的目标值Da，/>表示t时刻Da的值；/>分别为比例、积分、差值参数，为输出的电压值。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：
在所述步骤3中，所述波幅映射转换器用于将输入信号输出为幅值为对应电压值大小、特定频率的正弦波信号，分为信号输入模块、信号处理模块、信号输出模块和显示模块，其中信号输入模块包括信号隔离放大器、电阻分压电路，将输入信号电压值按比例缩放到0-3.3V，以便于信号处理模块采集；信号处理模块采集输入的电压信号，采集口每隔10ms采集一个点，然后用该点的值作为正弦波信号的幅值，一直生成该幅值大小频率为2250Hz的正弦波，每个周期生成256个点，直到采集到下一个点，重复执行上过程；0-3.3V输入的电压信号，经过信号处理模块之后，转换成频率为2250Hz、幅值为对应时刻输入电压值大小的正弦波电压信号；信号输出模块主要实现输出的正弦信号的射随、滤波和放大功能；射随和滤波电路用于消除生成模拟信号中的噪声，而放大电路用于将原先缩放的电压值重新按比例扩大到0-5V；显示模块用于显示当前时刻的电压值和输出正弦波信号的频率。
5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：
所述步骤4中，所述锂粉注入系统核心部件为一个中间带圆孔的压电陶瓷片，压电陶瓷片的上方是存储锂粉的通底圆柱形容器，下方连接导管通往聚变装置；压电陶瓷片施加正弦波电压振动时，锂粉滑向圆孔进入聚变装置；正弦波电压信号的幅值影响陶瓷片振动幅度，从而影响锂粉注入流量。
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2023
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117393183B (zh) | 2024-03-12 |
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