[发明专利]一种核聚变装置中内壁材料服役状态的实时监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对材料的性能状态进行实时监测的方法，可应用于核聚变装置中监测 面对等离子体的内壁材料的服役状态，属核能领域。

背景技术

随着化石能源的逐渐消耗，人类必须寻找到新的能源形式。聚变燃料氘的资源非常丰 富，储量可供人类用上几亿年。聚变能源将是人类未来最主要的能源之一。

在核聚变装置运行过程中，面对等离子体的内壁材料要经受着聚变等离子体的各种粒 子作用，随时了解壁材料的性能状态对于保证聚变反应的正常进行十分重要。然而，由于聚 变装置内部的结构较复杂，并且存在着强磁场环境，利用光学、磁学等传感原理等很难实现 对壁材料的监测目的。目前还没有一种较可行的对核聚变装置中内壁材料实时监测的方法见 诸报道。

发明目的

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种等离子体内壁材料损伤状态的 实时监测方法，实现对等离子体内壁材料的损伤状态进行的实时监测。

本发明技术方案为：一种核聚变装置中内壁材料服役状态的实时监测方法，实现步骤 如下：

第一步，组成实时监测探头，即谐振复合元件，所述谐振复合元件是能够随着壁材料性 能状态的变化而产生谐振频率变化的元件，由片状压电晶体片、内壁材料薄层和电极组成， 在片状压电晶体片的一个表面上复合上一层与之紧密接触的内壁材料薄层，另一个表面上复 合上两个电极，组成一个谐振复合元件；

第二步，组成谐振频率校准系统，首先将谐振复合元件与内壁材料样品同时安装在聚变 等离子体模拟环境中，让谐振复合单元和内壁材料样品同时经受同样的等离子体作用，将谐 振复合单元的两个电极分别经由两根导线连接到谐振频率测量仪，以便测量谐振复合单元的 频率变化情况；

第三步，校准谐振复合元件的谐振频率与内壁材料样品的性能状态变化的对应关系，随 着等离子体的作用时间增加，谐振复合单元的谐振频率将会发生变化；同时，内壁材料样品 在等离子体的作用下也会发生性能状态的变化，根据内壁材料样品的各种性能指标变化结 果，评估出内壁材料样品在该状态下的使用寿命，作为衡量壁材料服役状态的综合指标，定 义为寿命当量，然后将谐振频率变化和寿命当量建立起来一个数值对应关系，作为实时监测 时根据谐振频率变化换算成内壁材料寿命当量的依据；

第四步，将所述谐振复合单元安装在聚变装置内壁的需要测量的位置上，并用导线将谐 振复合单元连接到谐振频率测量仪上，组成实时测量系统；

第五步，测量谐振频率随着等离子体作用过程的实时变化情况，并根据第三步校准的对 应关系换算成内壁材料寿命当量的实时变化情况，这样就实现了对核聚变装置中内壁材料服 役状态的实时监测。

本发明原理在于：压电晶体具有固有的谐振频率，其固有谐振频率随着晶体的弹性模量 以及表面的附着状况的变化而变化。晶体本身的弹性模量会随着等离子体对它产生的各种损 伤而产生变化，同时，其表面附着的内壁材料薄层也会在等离子体作用下产生结构、组织和 性能等多种因素的变化，而这些变化都会影响压电晶体的谐振频率。通过预先校准谐振频率 与内壁材料受损程度的关系，便可以实时获取内壁材料的服役状态变化情况。

本发明与现有技术相比的优点在于：聚变装置内壁材料的服役状态所涉及的因素有很 多，如微观结构、组织、应力、含氢量、氢泡数量及分布、表层剥离、尘垢……等。但内壁 材料的寿命取决于所有影响其服役状态的这些因素的综合结果，本发明利用这一综合结果， 即寿命当量来作为衡量内壁材料服役状态的综合参数，通过谐振复合元件的谐振频率变化所 反映的恰恰是内壁材料的综合性能状态，通过校准谐振复合元件的谐振频率变化与壁材料的 综合性能状态的对应关系，就可以利用测量谐振频率来换算出寿命当量，实现对服役状态的 定量实时测量，其定量精度取决于谐振频率的测量精度以及对应关系的校准精度。

附图说明

图1为本发明的核聚变装置中壁材料服役状态的实时监测方法原理示意图；

图2为实时监测系统安装结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体实现过程如下：