聚變堆材料氦氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、聚變堆材料氦氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)聚變堆材料氦氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：針對(duì)研制出的復(fù)合材料是否符合應(yīng)用于核聚變反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)12020 年 4 月 19 日文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正。的要求，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW 的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。以經(jīng)過(guò)模糊控制算法調(diào)節(jié)氣體流量，測(cè)試出氦氣在反應(yīng)堆用材料中的擴(kuò)散系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)該材料的性能，以選擇更優(yōu)的材料應(yīng)用于聚變反應(yīng)堆中避免反應(yīng)器的性能下降，測(cè)試時(shí)能夠?qū)y(cè)試進(jìn)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。介紹了測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)試原理，測(cè)控系統(tǒng)框架和軟件流程，詳述了模糊控制算法如何應(yīng)用于該系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地測(cè)出石墨基體上帶涂層的樣品的擴(kuò)散系

2、數(shù)。關(guān)鍵詞：核聚變反應(yīng)堆；模糊控制；擴(kuò)散系數(shù)；測(cè)試系統(tǒng)；LabVIEWDesign and Implementation of Test System for Helium DiffusionCoefficient of Material Applicated in Fusion Reactor1 1 2 2 WANG Zheng-fei ,QIAN Xia-yi ,HUANG Yan,YU Jian Abstract: In order to test whether the newly developed material can be applicated in Fusion react

3、or experiment,this test system wasdesigned which is based on LabVIEW.So the performance of material can be evaluated through testing the Helium diffusion coefficient with fuzzy control algorithm,and select a material applicated in the fusion reactor to avoid performance of the fusion reactor penalti

4、es,the process can be remotely monitored during the test.Test system,test theory, hardware frameworks and software processes are introduced,how the fuzzy control algorithm is applicated in the system is expounded.The experimental results show that the test system can22020 年 4 月 19 日文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正

5、。almost accurately measure the helium diffusioncoefficientof thecoated graphite substrate.Key words:fusion reactor ； fuzzy control;diffusioncoefficient ；testsystem；LabVIEW0.引言核聚變反應(yīng)堆由于其燃料來(lái)源充分，放射性廢物更少，受到了關(guān)注。由于具有耐高溫強(qiáng)度、低活性和高斷裂韌性，炭炭和碳化硅復(fù)合材料適用于聚變反應(yīng)堆中的第一壁材料1 。在聚變反應(yīng)堆中如果氦氣滲透過(guò)材料進(jìn)入等離子體中，聚變?nèi)剂蠈?huì)被稀釋，輻射的損耗會(huì)使等離子體的溫

6、度降低，這將嚴(yán)重影響反應(yīng)器的性能 2 。擴(kuò)散是指氦氣分子在濃度梯度作用下從高濃度區(qū)經(jīng)過(guò)各種介質(zhì)向低濃度區(qū)自由遷移達(dá)到平衡的一種物理過(guò)程，氦氣擴(kuò)散系數(shù)的高低是聚變反應(yīng)堆用材料優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一，對(duì)材料（第一壁石墨）的要求是其氦氣擴(kuò)散系數(shù)盡量低。本文中我們?cè)O(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)試材料中的氦氣擴(kuò)散系數(shù)以評(píng)估聚變堆用材料的性能，同時(shí)設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測(cè)軟件供局域網(wǎng)內(nèi)的多名客戶實(shí)時(shí)觀測(cè)測(cè)試進(jìn)程。1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理聚變堆用材料氦氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)主要包括質(zhì)量流量控制器、真空規(guī)、數(shù)據(jù)采集卡、樣品測(cè)試池、待測(cè)樣品、真空泵、氦氣檢漏儀、計(jì)算機(jī)、各部件電磁閥及管線。真空泵選用英國(guó)愛德華（ Edward s）公司的

7、 RV系列油封旋片泵，其中樣品測(cè)試池的低32020 年 4 月 19 日文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正。真空側(cè)壓力測(cè)量選用Edwards APG100真空規(guī)，高真空室壓力測(cè)量選用 Edwards WRG寬量程真空規(guī)，樣品測(cè)試池中高、低真空側(cè)被樣品隔開，同時(shí)經(jīng)過(guò)測(cè)試池控制閥控制測(cè)試池通斷，真空規(guī)與高真空室相連的分別是氦氣檢漏儀以及真空泵。氦氣檢漏儀選用德國(guó)普發(fā)公司的 Adixen ASM 142，經(jīng)過(guò) RS232串口控制氦氣檢漏儀并讀取氦氣透過(guò)量。質(zhì)量流量控制器選用七星華創(chuàng)CS200，經(jīng)過(guò)RS232串口控制和讀取氣體流量。氦氣在聚變堆中被作為冷卻劑，因此測(cè)試氣體選用氦氣。為了更準(zhǔn)確地測(cè)定測(cè)試

8、結(jié)果，測(cè)試前需要對(duì)系統(tǒng)抽真空；待高真空側(cè)壓力值下降至500Pa 以內(nèi)后關(guān)閉真空泵控制閥、真空泵，打開氦氣檢漏儀，此時(shí)氦氣檢漏儀的分子泵開始工作，打開氣源控制閥、流量控制閥，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器使低真空側(cè)保持在壓力設(shè)定值。而且自動(dòng)記錄當(dāng)前壓力設(shè)定值對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)，結(jié)束當(dāng)前循環(huán)而且開始下一輪，直至進(jìn)入最后一個(gè)壓力設(shè)定值對(duì)應(yīng)的測(cè)試循環(huán)。當(dāng)?shù)驼婵諅?cè)壓力恒定時(shí)，氦氣流入測(cè)試池低真空側(cè)的速度與氦氣透過(guò)材料的速度相同，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)記錄氦氣檢漏儀的值，即氦氣透過(guò)量。氦氣對(duì)樣品的擴(kuò)散系數(shù) K 可用式 (1)表示：KdC (cm2 / s)(1)PH A公式中PH(Pa)為低真空側(cè)壓力，A(cm2

9、)為復(fù)合材料的面積，d(cm)為復(fù)合材料的厚度。PL(Pa)為高真空側(cè)壓力，3C(Pa.cm /s)為氦42020 年 4 月 19 日文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正。氣從低真空側(cè)透過(guò)樣品進(jìn)入高真空側(cè)的單位時(shí)間的量，即氦氣透過(guò)量。2.測(cè)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)為了節(jié)約開發(fā)周期并提高效率，軟件采用LabVIEW。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，其中數(shù)據(jù)采集卡采用阿爾泰多功能數(shù)據(jù)采集卡 USB2831，主要參數(shù)為 12位 AD精度， 250 KS/s采樣頻率，16K FIFO，輸入電壓范圍為010V，輸出電壓為 05V。測(cè)試過(guò)程需要記錄系統(tǒng)穩(wěn)定后各參數(shù)的值，測(cè)試過(guò)程中各電磁閥的狀態(tài)都是保持不變的。檢漏儀中間繼開關(guān)電器DO光耦繼中間繼真空泵電器數(shù)據(jù)電器電磁閥采集卡擴(kuò)散計(jì)算AD機(jī)虛系數(shù)真空規(guī)擬儀測(cè)試器控儀制平設(shè)