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  • 2022-12-02 01:27
  • 来源: 中安在线、中安新闻客户端
  • 作者: 徐慧媛

  中安在线、中安新闻客户端讯人类一旦掌握了核聚变能,便可拥有源源不断的清洁能源。
  12月1日,冬日里的合肥综合性国家科学中心大科学装置集中区内,科研工作者正在向这一人类终极梦想不断迈进。
  作为国家“十三五”重大科技基础设施,聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)是合肥获批综合性国家科学中心后首个落户大科学装置集中区的国家重大科技基础设施项目,该设施目标是建成国际核聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究及测试平台。当前,该主体工程“进度条”全力推进,已经完成100余个关键里程碑建设任务及核心部件的设计、预研和测试验证,从子系统的实验室研发测试阶段进入到了部分关键部件的研制和现场集成及调试阶段。

  “橘子瓣”:提供真空环境
  在聚变堆园区11号科研厂房,一个高度20米,外形似“橘子瓣”状的实验平台已经基本落成,这就是CRAFT设施1/8真空室及总体安装实验平台。
  “1/8真空室能够为上亿摄氏度高温等离子体提供真空环境,只有在高真空、无杂质的情况下能够很好地进行聚变反应。同时也是聚变堆氘氚反应中的一道安全屏障。”中科院合肥研究院等离子体物理研究所副所长陆坤介绍说。
  该平台为D型截面双层壳体结构,总高20米,D型截面高11米,最大环向直径19.5米,最小环向直径5.7米。真空室壳体选用50毫米厚的超低碳不锈钢材料,总重达5600吨,是个名副其实的“焊接侠”。
  “我们攻克了高精度成型技术,尤其是焊接技术。一个1/8扇段的壁厚从50毫米到100毫米,不仅厚还要保持高精度,需要达到毫米量级焊接变形的要求。”陆坤说,1/8真空室样件平台在研制过程中形成了40多项专利技术,包括精密成型、柔性自动化焊接、相控阵超声无损检测以及大视场激光准直测量等关键技术。
  目前,预计1/8真空室及总体安装实验平台正在进行最后的部件总装,预计明年初启用。
  陆坤表示,实验平台搭建好之后,将利用真空室来安装面对高温等离子体的内部部件,包括包层、偏滤器等,以及搭建遥控操作系统,开展相关维护模拟的验证。
  距离真正的聚变实验堆还有多远?“目前我们已经完成了聚变堆所有的工程设计,40%以上核心部件的图纸也已经完成,具备了建造我们自己大型聚变堆的工程条件。”陆坤透露,目前正在规划一个紧凑型的小型聚变堆,探索前期的氘氚运行实验,预计今年年底启动建设,明年开展相关部件的研制工作。

  “开水壶”:“加热”“人造太阳”
  “人造太阳”要实现聚变,那么它需要达到上亿度的温度。“加热方式有很多,我们选择的是中性束注入的方式。”中科院合肥研究院等离子体物理研究所梁立振副研究员打了个比方:“类似于水蒸气烧开水的过程。我们将负离子源中性束注入系统的能量和功率提上来,这就意味着提升了‘人造太阳’的加热功率和能量。”
  该项目团队一直针对未来聚变堆中性束注入系统研制过程中的大面积负离子产生、引出、加速、束传输和调控等核心技术开展研究,分别开展了射频放电锻炼、负离子产生、引出和加速研究,通过参数优化最高获得204 A/m2的负离子引出,并实现稳定可重复的105秒长脉冲负离子束。“这些技术指标的实现,标志着我们从之前国际先进水平的一半,达到了如今与国际水平并跑,意味着我国成为国际上少数掌握强流射频负离子源核心技术的国家。”梁立振说,这为聚变堆的建设和发展奠定了坚实的基础。

  TF磁体:制造D形线圈
  走进聚变堆园区8号科研厂房的恒温洁净车间,几名科研人员正在进行TF磁体的线圈绕制。
  环向场线圈绕制生产线由导体放送系统、导体校直系统、在线超声清洗系统、导体喷砂与清洗系统、导体连续弯绕机、线圈绕制回转平台等设备通过自动控制系统联动控制组成,用来开展聚变堆级全尺寸D形线圈的制造验证。
  “目前我们已经完成了整个生产线的设备安装和联调,正在用900米的铜缆导体进行整个生产工艺的最终验证。”中科院合肥研究院等离子体物理研究所文伟研究员介绍道。
  环向场线圈采用全球首创的高、中、低场三个子线圈堆叠和套装组成,绕制后的线圈轮廓度和平面度不超过1.5毫米的严苛要求给绕制工作带来很大难度。文伟说,“我们采用无张力绕制技术对截面64mm*64mm的超导导体进行连续精密绕制。完成了复杂轮廓绕制运动轨迹模拟、无张力连续推弯成形、截面氦管自动焊接等一系列关键技术研究,掌握了核心技术。”
  “采用现在的方法将大大降低整个磁体的造价。”文伟介绍,“未来的聚变堆需要16个同样的磁体。一个磁体我们可以节约5亿元,16个磁体能够节约近百亿元了。”

  此外,偏滤器部件测试平台、聚变遥操作测试平台、辅助加热系统、低温系统、环向场大型超导磁体热处理系统、中心螺管模型线圈磁体测试系统等子系统研制正在加快进行。110KV终端变电站及附属供配电系统,由内循环外循环和冷冻水系统组成的水冷系统等配套支撑系统已经建成并投入运行。

  核聚变大科学团队正以“时不我待、只争朝夕”的紧迫感和“时时放心不下”的责任感,聚焦聚变堆建设运行的关键科学技术和工程建设难题,加快推动聚变堆主机关键系统综合研究设施建成国际最先进的大型综合性测试平台,为未来聚变堆关键工程技术研发和建设运行保驾护航。(记者 徐慧媛)

编辑: 叶广冬
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