真空室内巡视系统在EAST中应用的可行性研究

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EAST放电试验期间,高温、强磁场环境会产生高能粒子及逃逸电子,第一壁直接面对高温等离子体,承受高能粒子的轰击,会引起第一壁材料的损伤,如腐蚀、杂质沉积等,材料的损伤会污染等离子体放电真空室的真空环境。在高温等离子体试验中,高真空环境的洁净程度直接影响等离子体放电的品质与安全,因此,定期对对第一壁状态进行的检查维护,确保装置安全,对于有效开展实验尤为重要。由于未来托卡马克聚变堆装置内部运行环境不适合作业人员直接进行维护,需要研制合适的核环境下的遥操作维护装置。  真空室内巡视系统,作为日常检查维护或者特殊状况下的应急巡检操作的聚变堆维护装置,用于对面对等离子体材料状态进行检查,主要是第一壁和偏滤器区域,将检查结果以视频和图片的形式传送给工作人员,以此来判断面对等离子体材料的状态是否存在安全隐患,为后续的维护操作提供切实可靠的有效信息。它是利用遥操作部件机械臂携带的摄像器材,实现近距离观测EAST等离子体放电真空室第一壁的状况,并由容纳该系统的真空容器为机械臂提供存储空间及与EAST放电真空室联通的高真空环境。  EAST作为国内研究核聚变技术的实验平台,在等离子体约束技术上做出了重要成果,但对于托卡马克遥操作维护技术仍处于起步阶段。本文通过对一款柔性内窥机械臂应用于EAST进行第一壁的巡检操作进行可行性分析,通过高温测试、真空性能测试以及抗电磁干扰性能的研究,分析应用于EAST的真空室内巡视系统的设计要求及注意事项,为未来遥操作维护装置的设计和测试工作提供参考,推动国内聚变堆装置遥操作维护技术的发展。论文通过以下几方面展开对真空室内巡视系统的研究:  一、结合EAST实验运行情况及未来聚变堆运行环境要求,对所需的真空室内巡视系统的设计要求进行介绍。基于EAST托卡马克装置放电实验的高真空,强磁场和高温环境与未来聚变堆高参数发展的要求,提出核环境下维护装置需要满足的结构功能、高真空、抗热辐射等性能;  二、对真空室内巡视系统进行详细介绍,包括柔性内窥机械臂的结构分析及其巡视作业原理。研究发现,柔性机械内窥臂的串联式功能模块结构可以很好的实现对第一壁的全方位巡视,并且机械臂的整套内外冷却回路冷却系统可以保证机械臂在外界温度高达120℃的情况下仍能正常工作。此外,基于EAST实验装置对真空室内巡视系统真空性能的要求,对真空室内巡视系统的真空出气情况进行分析。其中包括系统整体的出气量计算及出气成分分析,并在试验的基础上,对系统的真空性能提出优化方案。优化结果显示,系统整体出气率水平可控制在5.32×10-2Pa·L· s-1;  三、柔性内窥机械臂应用于EAST的存储容器结构及其真空抽气系统的设计工作。鉴于EAST对外部设备引入的高真空环境要求,真空室内巡视系统的引入需保证在不破坏EAST等离子体放电真空室的真空环境下进行。通过Analysis/workbench对存储平台的结构分析表明,设计的真空容器存储平台可以支撑容纳柔性内窥机械臂装置;并基于柔性内窥机械臂及真空容器本身的出气情况对容器的真空抽气机组进行设计,结果表明,在有效抽速Se=1064 L/s的分子泵抽气机组作用下,真空容器可以为优化后的柔性内窥机械臂提供5.6×10-5Pa的储存真空环境,满足与EAST接通的真空度要求。
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