磁约束氘氘聚变中子源预研装置控制系统设计

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24153

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1048-1059.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24153

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磁约束氘氘聚变中子源预研装置控制系统设计

王俪晔¹^,², 郑玮¹^,², 饶波¹^,², 杨勇¹^,², 杨玉林¹^,², 叶伟杰¹^,², 谢筱涵¹^,², 张沛龙¹^,²

^1.强电磁技术全国重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，湖北省武汉市 430074
^2.磁约束聚变与等离子体国际合作联合实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，湖北省 ;武汉市 430074

收稿日期:2024-07-22 修回日期:2024-11-05 出版日期:2024-12-31 发布日期:2024-12-30
通讯作者: 郑玮
作者简介:王俪晔(2002)，女，硕士研究生，主要研究方向为聚变实验控制系统的设计、实现与部署，liyewang@hust.edu.cn；
郑玮(1987)，男，博士，副研究员，主要研究方向为大型物理实验装置的控制系统，以及基于人工智能的破裂和其他等离子体不稳定性的预测和控制，本文通信作者，zhengwei@hust.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(12375219)

Design of Control System for Preliminary Research Device of Magnetic Confinement Deuterium-Deuterium Fusion Neutron Source

Liye WANG¹^,², Wei ZHENG¹^,², Bo RAO¹^,², Yong YANG¹^,², Yulin YANG¹^,², Weijie YE¹^,², Xiaohan XIE¹^,², Peilong ZHANG¹^,²

^1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China
^2.International Joint Research Laboratory of Magnetic Confinement Fusion and Plasma Physics (School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China

Received:2024-07-22 Revised:2024-11-05 Published:2024-12-31 Online:2024-12-30
Contact: Wei ZHENG
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12375219)

摘要/Abstract

摘要：

目的磁约束氘氘聚变中子源预研装置是基于场反位形级联磁压缩的新型中子源预研方案，旨在基于第一阶段建设经验，完善系统设计，显著提升等离子体参数，并进一步开展磁压缩聚变等研究，为在第三阶段实现具有大体积高通量聚变中子源打下基础。方法预研装置控制系统对控制框架进行优化重构，提供安全联锁、脉冲控制与综合数据服务，通过集成控制将各服务协调集成到自动化执行的放电流程中，并新增多项资源拓展应用和DevOps工具。结果通过重构设计，控制系统在安全、稳定与效率等方面的综合性能得到显著提升。安全联锁系统确保了实验过程中的人员和设备安全，脉冲控制系统实现了高精度的时序控制，综合数据服务提供了从数据采集到分析的全流程支持，资源拓展应用和DevOps工具进一步提高了系统的灵活性和运维效率。结论该设计通过优化控制框架和引入先进的运维工具，能够更好地满足装置结构复杂化和放电流程精密化的需求，为后续长周期合作建设的磁约束氘氘聚变中子源预研装置提供了高效的控制系统建设方案。

关键词: 核聚变, 聚变中子源, 磁约束, 等离子体, 场反位形, 控制系统, 氘氘聚变

Abstract:

Objectives The preliminary research device of magnetic confinement deuterium-deuterium fusion neutron source is a novel neutron source preliminary research device based on field-reversed configuration (FRC) cascade magnetic compression. It aims to leverage the experiences from the first-phase construction to enhance system design, significantly improve plasma parameters, and further expand research on magnetic compression fusion, laying the foundation for achieving a large-volume high-flux fusion neutron source in the third phase. Methods The preliminary research device control system optimized and reconstructed the control framework, provided safety interlocking, pulse control and comprehensive data services, coordinated and integrated each service into the automated discharge process through integrated control, and added a number of resources to expand applications and DevOps tool. Results Through the reconfiguration design, the comprehensive performance of the control system in terms of safety, stability and efficiency had been significantly improved. The safety interlock system ensured the safety of personnel and equipment during the experiment process, the pulse control system achieved high-precision timing control, the comprehensive data service provided full process support from data collection to analysis, and resource expansion applications and DevOps tools further improved the system flexibility and operation and maintenance efficiency. Conclusions By optimizing the control framework and introducing advanced operation and maintenance tools, the design can better meet the needs of complex device structure and precise discharge flow, and provide an efficient control system construction plan for the subsequent long-term cooperation construction of the magnetically confined deuterium fusion neutron source preliminary research device.

Key words: nuclear fusion, fusion neurton source, magnetic confinement, the plasma, field-reversed configuration (FRC), control system, deuterium-deuterium fusion

中图分类号:

TK 01

王俪晔, 郑玮, 饶波, 杨勇, 杨玉林, 叶伟杰, 谢筱涵, 张沛龙. 磁约束氘氘聚变中子源预研装置控制系统设计[J]. 发电技术, 2024, 45(6): 1048-1059.

Liye WANG, Wei ZHENG, Bo RAO, Yong YANG, Yulin YANG, Weijie YE, Xiaohan XIE, Peilong ZHANG. Design of Control System for Preliminary Research Device of Magnetic Confinement Deuterium-Deuterium Fusion Neutron Source[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(6): 1048-1059.

图/表 14

图1 磁约束氘氘聚变中子源预研装置真空室示意

Fig. 1 Diagram of preliminary research device of the vacuum chamber of magnetic confinement deuterium-deuterium fusion neutron source

图2 磁约束氘氘聚变中子源预研装置系统组成

Fig. 2 System composition of preliminary research device of magnetic confinement deuterium-deuterium fusion neutron source

图3 磁约束氘氘聚变中子源预研装置放电流程

Fig. 3 Discharge flow of preliminary research device of magnetic confinement deuterium-deuterium fusion neutron source

表1 预研装置与HFRC控制需求对比

Tab. 1 Comparison of control requirements between the preliminary research device and HFRC

控制需求	预研装置	HFRC
系统组成	新增中性束	主机、电源、诊断
电源规模	形成区48套、电离32套、准稳态10套、磁压缩112套	形成区32套
高压风险	60 kV	20 kV
安全防控	硬件实现	软件实现
集成时延	100 ms	2 s
时序需求	200 ns(5%抖动)	1 μs(10%抖动)
数据服务	新增分析处理	采集、存储、访问
调整总结	可自动化	人为操作

图4 预研装置控制系统组成

Fig. 4 Composition of control system for preliminary research device

图5 预研装置控制系统硬件架构

Fig. 5 The hardware architecture of control system for preliminary research device

图6 控制系统集成结构

Fig. 6 Integrated structure of the control system

图7 磁压缩电源控制与模块控制耦合关系

Fig. 7 Coupling between magnetic compression power control and module control

图8 综合数据服务执行过程

Fig. 8 Comprehensive data service execution process

表2 CFET资源类型

Tab.2 Types of CFET resource

类别	操作	用法
Status	只读	反映软硬件服务的实时状态
Config	可读可写	软件层面参数设定，与硬件实际值无关
Method	调用执行	通过返回值反馈是否执行成功
Event	可订阅	主要用于Status/Config资源变化自动通知

图9 透明统一的资源访问

Fig. 9 Transparent and unified resource access

图10 CFET服务运行模型

Fig. 10 Operational model of CFET service

图11 统一版本管理架构

Fig. 11 Architecture for unified version management

表3 基于Salt状态文件的运维管理功能

Tab. 3 Operations and maintenance management functions based on Salt state files

状态文件	运维管理功能
描述CFET服务所需基础设施，包括.NET与Git等	确保基础设施环境的一致性和可预测性
定义应用程序的代码库位置、依赖项和服务配置	实现应用程序的自动化部署和更新
定义服务注册的配置和运行参数	节点上的服务能够自动注册到系统中
定义被监控的服务	监控和维护服务运行

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磁约束氘氘聚变中子源预研装置控制系统设计

Design of Control System for Preliminary Research Device of Magnetic Confinement Deuterium-Deuterium Fusion Neutron Source

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参考文献 27

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