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    中安在線   2022-12-07 11:26:15   來源:安徽日報    作者:鹿嘉惠   編輯:焦明仁

      圖為建設中的CRAFT設施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。

      圖為建設中的負離子源中性束注入系統束源測試平臺。記者徐旻昊攝

      太陽之所以能夠持續發光發熱,是因為時刻發生著核聚變反應。托卡馬克是進行可控核聚變研究的主流裝置,它利用強磁場把上億攝氏度的等離子體長時間控制在真空容器里,并使聚變反應穩定持續地進行。由于它產生能量的原理與太陽相似,也被人們形象地稱為“人造太陽”。

      我們距離建造真正的聚變實驗堆還有多遠呢?12月1日,記者走進合肥綜合性國家科學中心大科學裝置集中區,看到科研工作者正在為建造真正的聚變實驗堆,實現核聚變這一夢想而忙碌著。

      聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施(CRAFT)是合肥獲批綜合性國家科學中心后首個落戶大科學裝置集中區的國家重大科技基礎設施項目,該設施目標是建成國際核聚變領域參數最高、功能最完備的綜合性研究及測試平臺。目前,CRAFT設施主體工程建設正酣,關鍵子系統和大型測試平臺研制取得階段性重要進展,已完成100余個關鍵里程碑建設任務及核心部件的設計、預研和測試驗證,從子系統的實驗室研發測試階段進入到了部分關鍵部件的研制和現場集成及調試階段。

      “橘子瓣”真空室形成安全屏障

      記者走進聚變堆預研平臺園區11號科研廠房,一個高度約20米、形如“橘子瓣”的實驗平臺映入眼簾,這就是CRAFT設施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。

      該平臺為D型截面雙層殼體結構,D型截面高11米,最大環向直徑19.5米,最小環向直徑5.7米。真空室殼體選用50毫米厚的超低碳不銹鋼材料,總重達5600噸。

      這個“橘子瓣”有什么作用呢?中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所副所長陸坤說:“高溫等離子體需要在高真空、無雜質的情況下,才能進行良好的、可控的聚變反應,1/8真空室就可以提供真空度達10-6pa的真空環境,同時在聚變堆氘氚反應中起著安全屏障的作用?!?/p>

      真空室的研制離不開一個個技術難題的攻破。陸坤介紹,1/8真空室樣件平臺在研制過程中形成了40多項專利技術,包括精密成型、柔性自動化焊接、相控陣超聲無損檢測以及大視場激光準直測量等關鍵技術,并為遙控操作系統提供一個全尺寸的安裝模擬平臺?!耙愿呔瘸尚图夹g、大壁厚的焊接技術舉例,真空室的壁厚很厚,從50毫米到100毫米的焊接能產生很大變形,而真空室對焊接變形的精度要求達到毫米量級?!标懤じ嬖V記者,現在,真空室的精度控制在10毫米以內,這個精度能滿足目前整個裝配以及未來運行的需求。

      目前,1/8真空室及總體安裝實驗平臺正在進行最后的部件總裝,預計明年年初啟用。陸坤表示,實驗平臺搭建好之后,將利用真空室來安裝面對高溫等離子體的內部部件,包括包層、偏濾器等,以及搭建遙控操作系統,開展相關維護模擬的驗證。

      單驅動負離子束源加熱“人造太陽”

      “人造小太陽”要實現聚變,需要達到上億攝氏度的高溫。如何才能達到這個溫度呢?“我們用中性束注入的方式進行加熱,這就類似水蒸氣燒開水的過程,通過將負離子源中性束注入系統的能量和功率提上來,達到聚變需要的溫度,未來可以將這個打到等離子體中。因此,提升負離子源中性束注入系統的能量和功率,也就意味著提升了‘人造太陽’的加熱功率和能量?!敝锌圃汉戏饰镔|科學研究院等離子體物理研究所梁立振副研究員告訴記者。

      CRAFT負離子源中性束注入系統因射頻饋入穩定性要求高、束引出面積大、連續運行時間長、負離子產生難且易損失的典型特征而挑戰巨大。單驅動負離子束源是CRAFT負離子束源系統研究的基礎,主要用于研究負離子產生、引出和加速技術,對負離子束源的研制有重要的意義。

      該項目團隊一直針對未來聚變堆中性束注入系統研制過程中的大面積負離子產生、引出、加速、束傳輸和調控等核心技術開展研究,分別開展了射頻放電鍛煉、負離子產生、引出和加速研究,通過參數優化最高獲得204A/m2的負離子引出,并實現穩定可重復的105秒長脈沖負離子束?!斑@些技術指標的實現,標志著我們從之前國際先進水平的一半,達到了如今與國際水平并跑,意味著我國成為國際上少數掌握強流射頻負離子源核心技術的國家?!绷毫⒄裾f,這為聚變堆的建設和發展奠定了堅實的基礎。

      TF磁體約束等離子體

      走進聚變堆預研平臺園區8號科研廠房的恒溫潔凈車間,幾名科研人員正在進行TF磁體的線圈繞制。

      中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所研究員文偉說:“TF磁體是整個托卡馬克裝置最重要的部件,它的功能就是約束等離子體按照規定的類型工作,因此它是這個裝置中最重要的一個部件?!?/p>

      環向場線圈繞制生產線由導體放送系統、導體校直系統、在線超聲清洗系統、導體噴砂與清洗系統、導體連續彎繞機、線圈繞制回轉平臺等設備通過自動控制系統聯動控制組成,開展聚變堆級全尺寸D形線圈的制造驗證?!澳壳?,線圈繞制生產線的安裝和聯調測試已經完成,正在用900米的銅纜導體進行整個生產工藝的最終驗證。驗證之后,我們將采用超導導體開始正式線圈的制造?!蔽膫ジ嬖V記者?!碍h向場線圈采用全球首創的高、中、低場三個子線圈堆疊和套裝組成,繞制后的線圈輪廓度和平面度不超過1.5毫米的嚴苛要求給繞制工作帶來很大難度。為此,我們采用了無張力繞制技術對截面64mm×64mm的超導導體進行連續精密繞制?!蔽膫ジ嬖V記者,采用這種分級式結構將大大降低整個磁體的造價,一個磁體可以節約5億元,未來的聚變堆需要16個同樣的磁體,能夠節約近百億元。

      目前,該團隊已經完成了復雜輪廓繞制運動軌跡模擬、無張力連續推彎成形、截面氦管自動焊接等一系列關鍵技術研究?!跋乱徊轿覀儗⒃邳h的二十大精神指引下,發揮青年科技工作者的創新和實踐的能力,爭取早日攻克聚變堆主機關鍵系統當中介入實體制造的關鍵技術,為中國聚變實驗堆的早日建成貢獻力量?!蔽膫フf。(鹿嘉惠)

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