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基于超级电容储能的HL-3装置中性束逆变型高压电源模块设计

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核技术 2024年第5期47卷 151-158页

作者：张锦涛王英翘汤贤夏于洋李青南华大学核科学技术学院衡阳421001 核工业西南物理研究院成都610225

高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分,决定着束能量和引出束流的品质。随着电压等级的逐步提高,脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation,PSM)高压电源无法满足实验要求。为了实现中性束调制注入功率的快速切换,提出一种基于超级电... 详细信息

高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分,决定着束能量和引出束流的品质。随着电压等级的逐步提高,脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation,PSM)高压电源无法满足实验要求。为了实现中性束调制注入功率的快速切换,提出一种基于超级电容储能的逆变型高压电源。采用超级电容储能方式,降低所需电网容量,减小对电网的冲击。采用软开关技术的直流(DC)-直流(DC)谐振变换器结构,提高电源的响应速度,减小开关器件的开关损耗。设计电源模块电路拓扑,根据电源性能指标要求完成系统建模计算。建立充电电路和主回路的电力仿真软件PSIM(Power SIMulation)仿真模型,对电源性能指标进行仿真验证。最后搭建了逆变电源模块测试样机,进行了阶跃响应、电压纹波和软开关性能指标测试。仿真及实验验证结果表明:设计的电源模块能够实现1 600 V/50 A的稳定输出,满足6 MW/120 kV设计要求。

关键词： HL-3装置超级电容中性束注入逆变型高压电源 DC-DC谐振变换器

HL-3装置测量基准网的建立及部件定位测量

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核聚变与等离子体物理 2024年第1期44卷 7-12页

作者：赖春林刘健蔡立君刘宽程张龙无核工业西南物理研究院成都610041 HL-研制团队

根据HL-3装置总装集成设计安装精度的要求,需要建立一个高精度的测量基准网,在总装过程中采用激光跟踪仪等先进测量设备对安装部件的空间位置进行测量。建立的基准网实现了网内基准点空间坐标最大不确定度为0.133mm。特别在对真空室、... 详细信息

根据HL-3装置总装集成设计安装精度的要求,需要建立一个高精度的测量基准网,在总装过程中采用激光跟踪仪等先进测量设备对安装部件的空间位置进行测量。建立的基准网实现了网内基准点空间坐标最大不确定度为0.133mm。特别在对真空室、临时第一壁/限制器等部件的安装中,进行定位测量和数据反馈,然后再进行安装调整,实现了真空室∅1.84mm的同轴度精度,满足同轴度≤∅3mm的要求;标高偏差为-0.08~+0.136mm,满足标高偏差≤±1mm的要求。临时第一壁/限制器安装最大偏差值为+1.9351mm,最小偏差值为-1.8337mm,均满足各模块表面位置误差不超过±2mm的技术要求。测量基准网的建立以及安装过程中对部件高精度的定位测量,保证了HL-3装置高质量的建造。

关键词： HL-3 基准网部件定位测量激光跟踪仪

磁控溅射过渡层对CFRP筒体内壁电镀Ni金属涂层结合性能的影响

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真空科学与技术学报 2024年

作者：万俊豪杨洋但敏唐国庆张珂嘉肖凯业金凡亚核工业西南物理研究院核工业理化工程研究院

对碳纤维增强树脂基复合材料筒体内壁表面进行金属化处理，通过射频等离子体活化、磁控溅射沉积过渡层金属、电镀沉积镍三个步骤在碳纤维复合材料筒体内壁制备大厚度、高结合强度的金属涂层。以拉拔法测试涂层与基体之间的结合强度，探... 详细信息

对碳纤维增强树脂基复合材料筒体内壁表面进行金属化处理，通过射频等离子体活化、磁控溅射沉积过渡层金属、电镀沉积镍三个步骤在碳纤维复合材料筒体内壁制备大厚度、高结合强度的金属涂层。以拉拔法测试涂层与基体之间的结合强度，探究Cu、Ti-Cu过渡层及不同过渡层厚度对金属涂层结合强度的影响。采用扫描电镜及配套的能谱仪观测金属涂层表面微观形貌和截面元素组成，采用X射线衍射仪分析金属涂层的晶体结构。结果表明，磁控溅射Ti-Cu过渡层能明显提高电镀Ni金属涂层与基体之间的结合强度，钛膜层厚度对电镀Ni金属涂层结合强度的影响很大，铜膜层厚度对结合强度相对较小，结合强度随着铜膜层的增厚而降低。在等离子体活化的基础上，通过磁控溅射在CFRP筒体内壁制备0.2μmTi+1μmCu的过渡层，使电镀约17μmNi金属涂层的结合强度达到2.05MPa，赋予了碳纤维复合材料筒体内壁金属特性。

关键词：碳纤维复合材料筒内壁过渡层结合强度表面金属化

磁控溅射源中氩辉光放电的等离子体行为及分布特性

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真空科学与技术学报 2024年第6期44卷 521-528页

作者：李平川张帆张正浩李箫波唐德礼核工业西南物理研究院成都610207 中核同创(成都)科技有限公司成都610207

通过三维粒子数值模型对现有磁控溅射源结构中氩辉光放电的等离子体行为和分布特征进行了模拟,从而得到靶材利用率和能量利用率的信息。离子轨迹、离子能量和离子入射角分布的分析结果表明,由于电势的空间分布影响,放电电压从260 V增加... 详细信息

通过三维粒子数值模型对现有磁控溅射源结构中氩辉光放电的等离子体行为和分布特征进行了模拟,从而得到靶材利用率和能量利用率的信息。离子轨迹、离子能量和离子入射角分布的分析结果表明,由于电势的空间分布影响,放电电压从260 V增加到340 V,使得轰击离子比例从80%降低到67%。由于离子向靶材移动和远离靶材都会得到加速,过高的放电电压不利于提高能量利用率。另一方面,提高放电电压有利于离子以更高的平均动能撞击靶材,有利于提高溅射产额。因此,根据工作压力选择合适的放电电压是提高电源效率的有效途径。通过离子溅射位置分布与靶材实际侵蚀剖面图的对比,验证了仿真模型的可靠性,对磁控溅射源的优化设计具有一定的参考价值。

关键词：磁控溅射数值仿真等离子体行为靶材利用率能量利用率

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基于PLC的HL-3装置中性束逻辑控制系统设计

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南方能源建设 2024年第3期11卷 152-158页

作者：余珮炫周红霞万银祥中国核工业集团公司核工业西南物理研究院四川成都610041

[目的]中性束注入(NBI)是中国环流三号(HL-3)托卡马克装置重要的等离子体加热和电流驱动手段。NBI加热系统是涉及真空、电力电子、机械、自动控制、气体放电等多学科、多领域的复杂系统。控制系统是NBI加热系统可靠运行的基本保证,可实... 详细信息

[目的]中性束注入(NBI)是中国环流三号(HL-3)托卡马克装置重要的等离子体加热和电流驱动手段。NBI加热系统是涉及真空、电力电子、机械、自动控制、气体放电等多学科、多领域的复杂系统。控制系统是NBI加热系统可靠运行的基本保证,可实现对加热系统现场设备的远程控制、运行状态的实时监控和放电实验的逻辑控制。[方法]根据NBI加热束线控制需求确定PLC系统的硬件配置,组建了以西门子S7-416为主控制器,以Profibus-DP网络和工业以太网为基础,以光纤为传输介质的分布式I/O系统。采用组态软件STEP7实现硬件组态、通信连接和程序编写,利用界面软件WinCC完成集中管理、过程监控和信息归档。[结果]PLC系统能够实时监控现场设备状态,与NBI控制系统进行数据交换,指导现场设备稳定运行。此外,图形化的用户界面使得实验过程可视化,真空值、流量和温度的实时显示,为实验运行人员提供了及时的状态信息。[结论]整个PLC系统高效可靠,重复性好,具有良好的兼容性和可扩展性,实现了对NBI束线现场设备的监测和控制。

关键词： HL-3装置中性束注入 PLC 现场总线实时监控

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不同载荷及转速条件下MoS_(2)涂层的摩擦磨损性能研究

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核聚变与等离子体物理 2023年第1期43卷 99-104页

作者：董思成钟利但敏许泽金王新超周毅金凡亚核工业西南物理研究院成都610041

为获得二硫化钼(MoS_(2))涂层在聚变堆部件表面使用条件下的摩擦磨损特性,采用单极性脉冲磁控溅射技术在铁铬镍基高温合金A286上制备了厚度为2μm的MoS_(2)涂层,并针对MoS_(2)涂层在不同载荷及转速条件下的摩擦学性能展开了研究。经验证... 详细信息

为获得二硫化钼(MoS_(2))涂层在聚变堆部件表面使用条件下的摩擦磨损特性,采用单极性脉冲磁控溅射技术在铁铬镍基高温合金A286上制备了厚度为2μm的MoS_(2)涂层,并针对MoS_(2)涂层在不同载荷及转速条件下的摩擦学性能展开了研究。经验证,沉积的MoS_(2)涂层结晶度较好,沿(002)面择优取向;随测试转速的增加,摩擦系数逐渐减小,在转速为50r⋅min^(-1)时,摩擦系数平均值为0.0722;在转速固定时,摩擦系数随测试载荷的增加先减小后增大,当载荷为7N时达到最小平均值0.0763。

关键词： MoS2 摩擦性能载荷转速

V4Cr4Ti合金和RAFM钢的热等静压扩散连接及其界面特性

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焊接学报 2022年第7期43卷 57-62,I0006页

作者：张启航李佳霖谌继明王长浩杨波张弛核工业西南物理研究院成都610041 清华大学北京100084

低活化铁素体/马氏体(reduced activation ferritic/martensitic,RAFM)钢及钒合金被认为是未来核聚变反应堆第一壁的候选结构材料,性能各有优劣,可满足近中期应用要求.采用热等静压技术在温度800℃、等静压压强150 MPa和保温时间2 h下实... 详细信息

低活化铁素体/马氏体(reduced activation ferritic/martensitic,RAFM)钢及钒合金被认为是未来核聚变反应堆第一壁的候选结构材料,性能各有优劣,可满足近中期应用要求.采用热等静压技术在温度800℃、等静压压强150 MPa和保温时间2 h下实现V4Cr4Ti合金和CLF-1钢的固态扩散连接,对其界面微观组织、元素扩散特征以及抗剪强度进行了分析.结果表明,CLF-1钢在距离连接界面120μm区域内出现脱碳层,而V4Cr4Ti合金侧存在宽度约1.5μm的高硬脆碳化物层;V4Cr4Ti合金/CLF-1钢连接界面无缺陷,接头室温抗剪强度最高达238 MPa.断口分析表明,断裂发生于靠近V4Cr4Ti合金侧的高硬脆碳化物层,断口表现出整体韧性,局部脆性断裂的特征.

关键词：热等静压钒合金低活化铁素体/马氏体钢界面特性

离子束活化对GF/PEEK金属化涂层结合强度的影响

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中国表面工程 2023年第2期36卷 86-96页

作者：钟利金凡亚但敏童洪辉敬星核工业西南物理研究院中核同创(成都)科技有限公司成都610207 中国核动力研究设计院核燃料元件及材料研究所成都610213

为了解决玻纤/聚醚醚酮复合材料(GF/PEEK)因界面惰性导致的金属化涂层结合强度弱的问题,采用低能离子束对基材进行表面活化处理,再以磁控溅射和电镀技术制备Cu膜,从而实现复合材料表面大厚度、高性能金属化层的制备。分别采用Ar、H_(2)... 详细信息

为了解决玻纤/聚醚醚酮复合材料(GF/PEEK)因界面惰性导致的金属化涂层结合强度弱的问题,采用低能离子束对基材进行表面活化处理,再以磁控溅射和电镀技术制备Cu膜,从而实现复合材料表面大厚度、高性能金属化层的制备。分别采用Ar、H_(2)、O_(2)和H_(2)+N_(2)混合气体进行离子束活化,通过对比活化前后基材的润湿性能、微观形貌和表面特性变化,对离子束活化的作用机理展开研究,制备Cu膜并对Cu膜的结合强度进行判定,探讨不同气体活化对结合强度的影响规律。结果表明,经离子束活化后,复合材料的表面润湿性得到显著改善,极性官能团的相对含量明显提高,表面和浅表面玻纤的结构完整性受到破坏,采用Ar、H_(2)、O_(2)和H_(2)+N_(2)离子束活化处理后,Cu膜的结合强度由未经活化的0.1MPa逐渐提高至0.4 MPa、1.49 MPa、7.97 MPa和11.51MPa。离子束活化技术能够有效改善复合材料的表面活性,显著提高金属化涂层的结合强度,延长金属化层的使用寿命,为其工程化应用奠定了理论和数据基础。

关键词：表面金属化离子束活化聚醚醚酮结合强度

等离子体熔融技术在核电站放射性废物处理中的研究应用现状

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真空科学与技术学报 2022年第7期42卷 483-490页

作者：陈思邈程昌明李平川张帆袁青青核工业西南物理研究院成都610041

核能发电在全球电力能源供给体系中愈加占据重要地位,但伴随着核电站的运行、维护和退役过程产生大量的放射性废物处理成为核能发电应用的挑战。相较于传统的焚烧处理技术,等离子体熔融技术的高温可为这些废物的处理提供更高效、彻底和... 详细信息

核能发电在全球电力能源供给体系中愈加占据重要地位,但伴随着核电站的运行、维护和退役过程产生大量的放射性废物处理成为核能发电应用的挑战。相较于传统的焚烧处理技术,等离子体熔融技术的高温可为这些废物的处理提供更高效、彻底和环保的解决方案。本文从介绍核电站产生的放射性废物来源和种类开始,综述了等离子体熔融技术处理放射性废物的主要工艺流程,对国内外等离子体熔融技术的应用现状和研究进展进行了详细的阐述,分析了等离子体熔融技术的优势及挑战。最后综合指出等离子体熔融技术在放射性废物处理领域具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

关键词：核电站放射性废物等离子体熔融技术热等离子体