加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)利用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子束轟擊靶材料產(chǎn)生的散裂中子維持次臨界反應(yīng)堆運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)乏燃料的增殖和嬗變,被國(guó)際公認(rèn)為核廢料安全處置的最有效手段之一,但是仍處在前期研究階段。2011年,中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變研究裝置”先導(dǎo)科技專項(xiàng)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。近代物理研究所承擔(dān)的ADS加速器注入器Ⅱ是專項(xiàng)的重要組成部分,它由電子回旋共振型(ECR)離子源、RFQ加速器、超導(dǎo)加速單元以及相關(guān)的束流傳輸線組成�？刂葡到y(tǒng)是超導(dǎo)直線加速器運(yùn)行的中樞神經(jīng)和感官系統(tǒng),其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)整個(gè)加速器乃至整個(gè)嬗變系統(tǒng)的性能有重大的影響。ADS注入器Ⅱ是基于EPICS架構(gòu)的分布式控制系統(tǒng),以高速以太網(wǎng)為中心,有良好的的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性,其可靠性和響應(yīng)速度可以滿足強(qiáng)流直線加速器的控制要求。本論文主要是針對(duì)離子源、低能傳輸線(LEBT)、真空和超導(dǎo)加速單元低溫系統(tǒng)的有效控制和可靠運(yùn)行進(jìn)行研究,在ADS注入器Ⅱ控制系統(tǒng)基本的框架內(nèi)提出并實(shí)現(xiàn)了解決方案。為了滿足ADS加速器的高可靠性要求,論文分析了各個(gè)被控對(duì)象對(duì)控制的特點(diǎn)和具體要求,并以此為基礎(chǔ)分別構(gòu)建了離子源及低能輸運(yùn)線、真空、低溫閥箱及低溫恒溫器控制子系統(tǒng)。這套控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn),還考慮了整個(gè)系統(tǒng)的可維護(hù)性,降低了各被控設(shè)備的維護(hù)工作量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)從ADS可靠性的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了基于PLC的硬件平臺(tái)可提供較為完備的連鎖保護(hù)功能,在被控設(shè)備故障時(shí)可及時(shí)、可靠地采取必要的連鎖保護(hù)措施,最大限度地降低故障影響的范圍。論文分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)方面詳細(xì)論述了各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其中硬件設(shè)計(jì)方面選用工業(yè)級(jí)的通用控制模塊,并構(gòu)建了相應(yīng)的分布式控制系統(tǒng)站點(diǎn),確�？刂葡到y(tǒng)的靈活性和可靠性;在軟件設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了EPICS架構(gòu),且程序設(shè)計(jì)上運(yùn)用了自動(dòng)重連技術(shù),提高了程序的容錯(cuò)性能,保證了控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。各個(gè)控制子系統(tǒng)的IOC接口程序基于LabVIEW設(shè)計(jì)完成,并使用DSC模塊的方式實(shí)現(xiàn)了Labview程序數(shù)據(jù)的EPICS接入功能,保證了ADS所有控制數(shù)據(jù)的透明性和統(tǒng)一性。論文在幾個(gè)特殊的環(huán)節(jié)上完成了較為創(chuàng)新的設(shè)計(jì):(1)完成了基于伺服控制系統(tǒng)的離子源進(jìn)氣閥門精確控制,最小控制角度達(dá)到0.01度,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié);(2)解決了離子源高壓放電對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的干擾問(wèn)題,保證了機(jī)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;(3)基于數(shù)字PID實(shí)現(xiàn)了低溫恒溫器壓力和液位的閉環(huán)控制,保證正常運(yùn)行時(shí)恒溫器內(nèi)液氦壓力的波動(dòng)小于±100Pa(國(guó)際上通常的設(shè)計(jì)要求為±150Pa),為超導(dǎo)腔創(chuàng)造了穩(wěn)定運(yùn)行的條件。本論文涉及的控制系統(tǒng)已經(jīng)完成了現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試工作,現(xiàn)處于在線運(yùn)行狀態(tài),已配合ADS注入器Ⅱ完成了5MeV的束流調(diào)試實(shí)驗(yàn),在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)直線加速器能量超過(guò)5MeV、流強(qiáng)超過(guò)2mA的連續(xù)束流小時(shí)量級(jí)穩(wěn)定運(yùn)行。本論文的工作是完成這一突破性進(jìn)展的重要保障。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(近代物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL503.3
【部分圖文】：

圖 1.1 ADS 系統(tǒng)示意圖ADS 系統(tǒng)由一臺(tái)高功率的強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生強(qiáng)流質(zhì)子束，質(zhì)子束轟擊次臨界堆中的重金屬靶并引起散裂反應(yīng)，再通過(guò)核內(nèi)級(jí)聯(lián)和核外級(jí)聯(lián)產(chǎn)生中子，以此來(lái)維持次臨界反應(yīng)堆運(yùn)行或進(jìn)行核廢料處理。近年來(lái)世界各國(guó)對(duì) ADS 系統(tǒng)的物理特性做了充分研究，確認(rèn)了 ADS 系統(tǒng)由外源中子驅(qū)動(dòng)，具有嬗變能力強(qiáng)

圖 1.2 ADS 研究發(fā)展路線圖由圖 1.2 可知 ADS 系統(tǒng)主要由次臨界反應(yīng)堆、金屬散裂靶、強(qiáng)流質(zhì)子加速器及相關(guān)的其他配套設(shè)施組成，其中加速器的作用是提供連續(xù)、穩(wěn)定的高能強(qiáng)流質(zhì)子束。通過(guò)加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子束轟擊金屬散裂靶產(chǎn)生散裂中子并維持次臨界堆運(yùn)行，從而達(dá)到減少核廢料體積和毒性的效果。ADS 嬗變系統(tǒng)的最終目標(biāo)是建成一個(gè)可用于工業(yè)推廣的示范裝置。ADS 系統(tǒng)的強(qiáng)流質(zhì)子加速器是超導(dǎo)直線加速器，它由強(qiáng)流質(zhì)子源、射頻四極場(chǎng)加速器（RFQ）、超導(dǎo)直線加速器以及相關(guān)的束流傳輸線組成，其工作頻率為 162.5/325/650/1300MHz 系列頻率，最終應(yīng)將能量加速到 1.5GeV。強(qiáng)流加速器將分三期建成：第一期輸出能量為 50~80MeV，設(shè)計(jì)流強(qiáng)為 10mA；第二期輸出能量為 0.6～1.0GeV，設(shè)計(jì)流強(qiáng)為 10mA；第三期輸出能量為 1.5GeV，設(shè)計(jì)流強(qiáng)為 10mA。

分散的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用過(guò)程中不需要關(guān)注數(shù)據(jù)的來(lái)源，整個(gè)系統(tǒng)就如同一個(gè)單一處理機(jī)一樣透明。1.3.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外絕大部分加速器實(shí)驗(yàn)室的控制系統(tǒng)都采用了加速器控制的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，并廣泛使用可編程序控制器（PLC）及其他前端控制器作為控制硬件。歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的 CMS 探測(cè)器控制系統(tǒng)是典型的分布式控制系統(tǒng)，其中頂層為中央級(jí)的分布式系統(tǒng)，中間層為 RPC 級(jí)分布式系統(tǒng)，底層是各個(gè)子系統(tǒng)級(jí)的分布式系統(tǒng)。其控制硬件也大量使用了可編程邏輯控制器，軟件上則使用了商業(yè)的 SCADA（Supervisory ControlAnd DataAcquisition）系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1.5 所示[32]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 牛小飛;韓彥寧;姜子運(yùn);王先進(jìn);白峰;郭曉虹;張軍輝;;ADS注入器Ⅱ10MeV加速器液氦分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];強(qiáng)激光與粒子束;2015年11期

2 姜子運(yùn);張鵬;牛小飛;郭曉虹;張軍輝;何源;;加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)注入器Ⅱ的真空控制系統(tǒng)[J];強(qiáng)激光與粒子束;2015年08期

3 陳鐵軍;趙潔;;水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布式控制[J];鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2014年05期

4 陳露;張彬彬;張琴芳;;核電廠運(yùn)行安全性能指標(biāo)體系的建立及其應(yīng)用[J];核動(dòng)力工程;2014年04期

5 姜子運(yùn);郭玉輝;劉海濤;武啟;余澤民;馬鴻義;于春蕾;胡建軍;何源;;加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)注入器離子源控制系統(tǒng)[J];強(qiáng)激光與粒子束;2014年05期

6 于春蕾;郭玉輝;何源;鄭亞偉;劉海濤;余澤民;姜子運(yùn);胡建軍;;基于冗余技術(shù)的強(qiáng)流質(zhì)子RFQ控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];原子能科學(xué)技術(shù);2014年04期

7 牛小飛;韓彥寧;萬(wàn)玉琴;張軍輝;郭曉虹;傅劍;周家屹;;ADS低溫氦氣回收純化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)[J];低溫與超導(dǎo);2013年12期

8 萬(wàn)玉琴;牛小飛;韓彥寧;張鵬;張軍輝;;低溫恒溫器設(shè)計(jì)[J];低溫與超導(dǎo);2013年12期

9 李山;王民慧;;調(diào)節(jié)閥流量特性補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J];現(xiàn)代機(jī)械;2013年04期

10 李金陽(yáng);夏虹;劉永闊;成守宇;鞏誠(chéng);;基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠主動(dòng)容錯(cuò)控制方法研究[J];原子能科學(xué)技術(shù);2012年07期

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