一种应用于聚变堆的远程检漏系统及其检漏方法

摘要

本发明公开了一种应用于聚变堆的远程检漏系统及其检漏方法，系统包括：装配GPS定位系统、氦供气系统和影像系统的检漏无人机、气体检测系统、数据处理系统、检测报警系统及控制系统；所述控制系统通过有线或无线方式连接到检漏无人机、气体检测系统、数据处理系统、检测报警系统；检漏无人机中包括的氦供气系统，包括微型氦气瓶，电控阀门，360°旋转气管接头，气路延长管；氦气瓶为检漏提供氦气；电控阀门能够被远程控制开闭，从而控制氦气的喷停，并能够通过控制电控阀门开关的程度，调控氦气喷吹流量的大小；气路延长管连接在检漏无人机机体下方的360°旋转气管接头上，通过远程控制接头的旋转调整延长管末端的位置，使得气路延长管末端准确到达待检测位置。

说明书

技术领域

本发明涉及聚变反应堆安全检测领域，主要涉及一种应用于聚变堆的远程检漏系统及其检漏方法，也可以应用于其他领域的真空检漏。

背景技术

能源问题是人类文明得以维持和发展的基础，也是人类社会永恒的命题。随着科学技术的迅速发展，人们在享受着丰富的物质与精神生活的同时，也愈发紧迫的去寻找高效可替代传统化石能源的新能源。核聚变因为原料丰富、产能高、聚变反应装置相对比较安全，同时又对环境污染较小，已经成为未来最有希望解决能源危机的技术。

核聚变反应反生的条件比较苛刻，即使是实现聚变中最为容易的氘氚聚变，所需要的离子温度也要达到10keV(约1亿摄氏度)左右，无法盛放现有的任何材料中进行反应。磁约束托卡马克使用强磁场将更高等离子参数的聚变反应物很好的约束在环形真空室内，被认为是最有前景的聚变装置。对于托卡马克装置的真空室，它是托卡马克装置的核心部件，其不仅容纳高温等离子体，并为聚变反应提供10

然而，对未来的聚变堆而言，聚变反应将长时间稳定进行，反应室内的辐射剂量远远高于正常水平，工作人员无法进入反应室进行检漏。而且若是中断聚变堆的放电运行，来进行人工检漏，将会造成不可估量的经济损失，因此可远端控制的检漏系统是聚变堆检漏的必然趋势。

发明内容

本发明目的就是为了弥补人工检漏的缺陷，提供一种基于无人机的聚变堆远程检漏系统及其检漏方法，以解决未来聚变堆难以进行人工检漏的问题。本发明的检漏系统带有GPS定位系统、氦供气系统和影像系统的检漏无人机、气体检测系统、数据处理系统、检测报警系统及控制系统。本发明应用于聚变堆运行过程中真空泄漏的检测与精准定位：通过气体检测系统，实时采集真空室内气体成分及其分压，并将采集的数据传送到数据处理系统，进行分析处理，来判断是否发生泄漏以及预测泄漏的类型，并触发检测报警系统。在判断泄漏类型为外部空气泄漏的条件下，利用检漏无人机开展智能检漏工作：GPS定位系统为检漏无人机提供位置导向及定位，影像系统为检漏提供实时的现场画面，氦供气系统为检漏工作提供不同流量的氦气。利用控制系统对无人机飞行器及各系统进行协调控制，实现对无人机的远程控制和对聚变堆定点位置精准喷吹氦气；再通过气体检测系统，确定泄漏位置及漏率的大小。利用本发明来替代人工检漏的方法，大大提高了检漏效率，降低了核环境下工作人员的暴露风险，保证了检漏工作人员的安全性

本发明是通过以下技术方案实现的：一种应用于聚变堆的远程检漏系统，所述系统包括：装配GPS定位系统、氦供气系统和影像系统的检漏无人机、气体检测系统、数据处理系统、检测报警系统及控制系统；所述控制系统通过有线或无线方式连接到检漏无人机、气体检测系统、数据处理系统、检测报警系统；

所述聚变堆连接有真空抽气管道，在所述真空抽气管道上设置有气体检测部件；

所述检漏无人机中包括的氦供气系统，包括高压微型氦气瓶，电控阀门，360°旋转气管接头，气路延长管；设置有氦气瓶为检漏提供氦气；电控阀门能够被远程控制开闭，从而控制氦气的喷停，并能够通过控制电控阀门开关的程度，调控氦气喷吹流量的大小；气路延长管连接在检漏无人机机体下方的360°旋转气管接头上，通过远程控制接头的旋转调整延长管末端的位置，使得气路延长管末端准确到达待检测位置。

进一步的，所述的气体检测系统主要是利用四极质谱计进行初步的泄漏检测和利用氦质谱检漏仪准确的泄漏检测，四极质谱计工作在聚变堆运行期间，能够对真空室进行连续的检测或定时扫描四极质谱的全谱图，通过监视残余气体的连续分压强图和对比不同的时间的全谱图，对真空室以及管路系统的真空状态进行评估；氦质谱检漏仪工作在进行检漏期间，能够在检漏无人机喷吹氦气之后，实时测绘真空室内氦气压强曲线，并指示出被喷吹氦气的位置是否出现泄漏及漏孔的漏率。

进一步的，所述的聚变堆为磁约束聚变反应堆装置，采用螺旋磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使其受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量，也会向四周放出高剂量辐射；所述的等离子体为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，约束在磁约束聚变装置内部，

进一步的，所述的数据处理系统，能够接收气体检测系统传输过来的质谱数据，并进行数据分析处理，在评估泄漏情况同时，基于数据库推测泄漏的类型，再将分析推测的结果一方面传送给用户端来指导工作人员进行检漏和对漏缝应急处理，另一方面传送给检测报警系统根据传送来的结果决定是否做出泄漏警报。

进一步的，所述的检测报警系统，接收来自数据处理系统的分析结果，根据分析结果进行报警评估，即是否超过风险阈值，在真空出现泄漏时响应报警，来提醒工作人员。

进一步的，所述的控制系统包括手动控制系统和自动控制系统，自动控制系统为各系统的所有设备硬件提供远程监控的同时，还为各子系统自身运行维护的流程控制、闭环调节、连锁保护提供自动化控制服务。手动控制系统不仅为各子系统的关键部件进行远程控制服务，还为各子系统之间的数据交互提供集成的控制平台及接口，以便更好实现检漏无人机的智能检漏工作。

进一步的，所述的检漏无人机，包括有维持自身飞行、紧急避障的系统，还包括有GPS定位系统、氦供气系统和影像系统，各系统之间的相互配合，协调工作，能够实现无人机的精确定位，对聚变装置的定点喷氦，远程检漏。

进一步的，所述的GPS定位系统，因为聚变反应室内各种装置系统布置复杂，操作飞行时需要实时确定无人机的位置，并通过影像系统来观察无人机的周围环境，给工作人员操作提供便利性。

进一步的，所述的影像系统，能够实时拍摄无人机四周的环境，并将拍摄的画面通过无线网络传送到用户终端，工作人员通过终端画面来调整无人机的位置以确保氦供气系统能够在预期的位置进行喷氦。

本发明还提出一种利用上述远程检漏系统进行检漏的方法，其步骤如下：

步骤1：首先在聚变堆运行过程中，气体检测系统利用四极质谱计实时监控真空室残余气体的成分及其分压，一旦装置出现泄漏，气体的质谱图将会出现明显的氮或其他非放电气体，监测报警系统会报警真空室出现泄漏；

步骤2：监测的质谱数据将被送到数据处理系统进行分析处理，来初步判断真空室泄露情况以及预测泄漏的类型；

步骤3：在判断泄漏类型是外部空气泄漏条件下，检漏无人机通过GPS定位系统到达待测聚变装置可能出现泄漏的位置周围，工作人员根据无人机影像系统拍摄的实时画面调整气路延长管末端到达可能发生泄漏的位置，然后打开氦供气系统的电控阀门进行喷吹氦气；

步骤4：喷吹预定时间后，气体检测系统利用氦质谱检漏仪可指示出被检测位置是否存在泄漏及漏孔的漏率，若出现泄漏检漏仪中氦曲线会上升，漏率值也会增大；

步骤5：检漏过程中监测的质谱数据也会被送到数据处理系统进行分析处理，评估泄漏情况以及泄漏对装置运行的危险性，并给出应急的解决方案，来指导工作人员对漏缝进行可靠的处理。

本发明的优点是：

本发明通过气体检测系统，采集真空室内气体成分及其分压，并将采集的数据传送到数据处理系统，进行分析处理，来判断是否发生泄漏以及预测泄漏的类型，并触发检测报警系统。在判断泄漏类型为外部空气泄漏的条件下，利用装配有氦供气系统的检漏无人机，以GPS定位系统、影像系统为辅助手段，开展智能检漏工作。本发明有效的解决了聚变堆真空检漏问题，通过基于无人机的进行远程检漏方式，来替代人工检漏的方法，大大提高了检漏效率，降低了核环境下工作人员的暴露风险，保证了检漏工作人员的安全性，同时本发明在聚变堆的任何运行状态下均可正常的工作，为未来聚变堆的检漏提供了一种新方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步了解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施方式一起用来解释本发明。

图1为本发明检漏系统的结构框图；

图2为本发明进行检漏的示意图；

图3为本发明所述氦供气系统360°可旋转气管的结构示意图(省略检漏无人机的其它结构)。

图中：聚变堆1、等离子体2、真空抽气管道3、气体检测部件4、检漏无人机5、360°可旋转气管接头6、气路延长管7。

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。

参见附图1-3，本发明提供一种技术方案，一种应用于聚变堆的远程检漏系统及其检漏方法，系统包括带有GPS定位系统、氦供气系统、影像系统的检漏无人机、气体检测系统、数据处理系统、检测报警系统及控制系统。本发明在实施检漏中涉及的主要部件包括聚变堆1、等离子体2、真空抽气管道3、气体检测部件4、检漏无人机5、360°可旋转气管接头6、气路延长管7。所述的气体检测部件4是四极质谱计和氦质谱检漏仪，安装于真空抽气管道3上，所述的抽气管道3连接到聚变堆1上对真空室进行抽气，所述的等离子体2真空室内进行核聚变反应所产生的残余气体一并通过真空抽气管道抽出。

作为关键部件的聚变堆1为磁约束聚变反应堆装置，采用螺旋磁场(是指由环向场及极向场叠加组成的螺旋形磁场，目前本发明的装置大约2.5T，未来聚变堆更强；带电粒子围绕磁场线做螺旋运动，被磁场约束)把氘、氚等离子体2约束在聚变堆内部，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

作为关键部件的等离子体2为离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，约束在磁约束聚变装置内部。

作为关键部件的真空抽气管道3，其不仅是真空室获得超高真空条件气体的传输管道，而且是等离子体2聚变反应之后的残余气体的排出管道。

作为关键部件的气体检测部件4为四极质谱计和氦质谱检漏仪，其中四极质谱计用于时刻检测真空抽气管道中残余气体的连续分压强图和对比不同的时间的全谱图，并以此评估真空室以及管路系统的真空状态；而氦质谱检漏仪在进行检漏期间，能够指示出被喷吹氦气的位置是否出现泄漏及漏孔的漏率。

作为关键部件的检漏无人机5，装备有GPS定位系统、氦供气系统和影像系统。所述的GPS定位系统和影像系统相互配合辅助工作人员实现无人机到达待测位置附近，通过控制360°可旋转气管接头6来调整气路延长管7末端到达待测位置，氦供气系统为延长管7提供氦气进行氦气喷吹。

作为关键部件的360°可旋转气管接头6，其在保证氦气喷吹过程中接头密封性的同时，还能够在检漏无人机悬停的水平面上进行360°旋转，垂直平面上进行180°旋转，具备全方位的位置调整能力。

作为关键部件的气路延长7为可替换的不易变形的轻质塑料管，一端接在360°可旋转气管接头，另一端通过接头的调整，到达聚变堆待检测位置；气路延长管7的长度尺寸包括0.5m，1m，1.5m三种，可根据待检位置进行更换。

利用应用于聚变堆的远程检漏系统及其检漏方法具体的工作流程如下：首先在聚变堆运行过程中，四极质谱计实时对真空室残余气体的成分及其分压进行监测，并将采集的质谱数据送到数据处理系统进行分析处理，一旦装置出现泄漏，会触发检测报警系统，来初步判断真空室泄露情况以及预测泄漏的类型；在判断泄漏类型为外部空气泄漏的条件下，检漏无人机通过GPS定位系统到达待测聚变装置可能出现泄漏的位置周围，工作人员根据无人机影像系统拍摄的实时画面远程控制调整喷吹管道末端的位置到达可能发生泄漏的位置，然后打开氦供气系统的电控阀门进行喷吹氦气；通过氦质谱检漏仪指示的结果，确定泄漏的位置及漏率的大小；检漏过程中气体检测系统数据也会被送到数据处理系统进行分析处理，评估泄漏情况以及泄漏对装置运行的危险性，并给出应急的解决方案，来指导工作人员对漏缝进行可靠的处理。

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，且应该清楚，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。