“人造太陽(yáng)”逐日夢(mèng) “聚變合肥”加速度

作者：文/王夙素圖/胡海臨發(fā)布時(shí)間：2022-11-28【打印】【關(guān)閉】

　近日，在合肥綜合性國家科學(xué)中心大科學(xué)裝置集中區內，國家“十三五”重大科技基礎設施“聚變堆主機關(guān)鍵系統綜合研究設施”主體工程建設正酣，一些關(guān)鍵子系統和大型測試平臺研制取得階段性重要進(jìn)展，超導磁體研究系統和主機偏濾器研究系統兩大主體工程的建設進(jìn)程正在加快推進(jìn)。目前，CRAFT主體工程建設已經(jīng)完成100余個(gè)關(guān)鍵里程碑建設任務(wù)及核心部件的設計、預研和測試驗證，從子系統的實(shí)驗室研發(fā)測試階段進(jìn)入到了部分關(guān)鍵部件的研制和現場(chǎng)集成及調試階段。

　聚變堆主機關(guān)鍵系統綜合研究設施（CRAFT）是合肥獲批綜合性國家科學(xué)中心后首個(gè)落戶(hù)的國家“十三五”重大科技基礎設施項目，該設施目標是建成國際核聚變領(lǐng)域參數最高、功能最完備的綜合性研究及測試平臺。自CRAFT設施主體工程開(kāi)工以來(lái)，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學(xué)團隊在材料綜合性能研究、超導導體性能研究、超導磁體、聚變堆真空室、偏濾器部件、等離子體與材料相互作用、輔助加熱系統、遙操作系統、配套支撐系統等方面開(kāi)展核心技術(shù)攻關(guān)和關(guān)鍵設備研發(fā)。

　　在聚變堆園區11號科研廠(chǎng)房，一個(gè)高度20米，外形似“橘子瓣”CRAFT設施1/8真空室及總體安裝實(shí)驗平臺已基本落成。該實(shí)驗平臺為D型截面雙層殼體結構，總高20米，D型截面高11米，最大環(huán)向直徑19.5米，最小環(huán)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。“該1/8真空室樣件平臺在研制過(guò)程中形成了40多項專(zhuān)利技術(shù)，發(fā)展和掌握了聚變堆真空室建造過(guò)程中諸如精密成型、柔性自動(dòng)化焊接、相控陣超聲無(wú)損檢測以及大視場(chǎng)激光準直測量等關(guān)鍵技術(shù)，并為遙控操作系統提供一個(gè)全尺寸的安裝模擬平臺。”項目負責人劉志宏研究員帶領(lǐng)團隊正在進(jìn)行最后的部件總裝，預計1/8真空室及總體安裝實(shí)驗平臺將于明年初啟用。

　　聚變堆園區8號科研廠(chǎng)房的恒溫潔凈車(chē)間內，總長(cháng)56米占地600㎡的CRAFT環(huán)向場(chǎng)TF線(xiàn)圈繞制生產(chǎn)線(xiàn)剛剛竣工完成。生產(chǎn)線(xiàn)主要由導體放送系統、導體校直系統、在線(xiàn)超聲清洗系統、導體噴砂與清洗系統、導體連續彎繞機、線(xiàn)圈繞制回轉平臺等設備通過(guò)自動(dòng)控制系統聯(lián)動(dòng)控制組成，將開(kāi)展聚變堆級全尺寸D形線(xiàn)圈的制造驗證。此環(huán)向場(chǎng)TF線(xiàn)圈采用全球首創(chuàng )的高、中、低場(chǎng)三個(gè)子線(xiàn)圈堆疊和套裝組成，繞制后的線(xiàn)圈輪廓度和平面度不超過(guò)1.5毫米的嚴苛要求給繞制工作帶來(lái)很大難度。“我們采用無(wú)張力繞制技術(shù)對截面64mm*64mm的CICC超導導體進(jìn)行連續精密繞制。”項目負責人文偉研究員說(shuō)道，“我們完成了復雜輪廓繞制運動(dòng)軌跡模擬、無(wú)張力連續推彎成形、截面氦管自動(dòng)焊接等一系列關(guān)鍵技術(shù)研究，掌握了核心技術(shù)。”目前，線(xiàn)圈繞制生產(chǎn)線(xiàn)的安裝和聯(lián)調測試已經(jīng)完成，用于首個(gè)認證件繞制的全尺寸導體（936.05米）也已就位，即將開(kāi)展線(xiàn)圈繞制工藝驗證，為后續工作奠定成熟技術(shù)和工藝基礎。

　　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(shí)間長(cháng)、負離子產(chǎn)生難且易損失的典型特征而挑戰巨大。單驅動(dòng)負離子束源（1/4尺寸）是CRAFT負離子束源系統研究的基礎，主要用于研究負離子產(chǎn)生、引出和加速技術(shù)，對負離子束源的研制有重要的意義。項目團隊一直針對未來(lái)聚變堆中性束注入系統研制過(guò)程中的大面積負離子產(chǎn)生、引出、加速、束傳輸和調控等核心技術(shù)開(kāi)展研究，分別開(kāi)展了射頻放電鍛煉、負離子產(chǎn)生、引出和加速研究，通過(guò)參數優(yōu)化最高獲得204 A/m2的負離子引出，并實(shí)現穩定可重復的105秒長(cháng)脈沖負離子束。“這些技術(shù)指標的實(shí)現，標志著(zhù)我國成為國際上少數掌握強流射頻負離子源核心技術(shù)的國家。” 項目負責人謝亞紅研究員說(shuō)。這些研究工作和關(guān)鍵技術(shù)的突破，也為聚變堆高功率負離子源中性束注入系統的研制提供了重要保障。

　　聚變堆園區13號北大廳是偏濾器等離子體與材料相互作用研究平臺的所在地，在這里將建成國際上參數水平最高的直線(xiàn)等離子體裝置及其輔助系統，可產(chǎn)生聚變堆偏濾器所要承受的穩態(tài)大束流等離子體，助力聚變堆中面向等離子體部件的研發(fā)。項目負責人周海山研究員帶領(lǐng)團隊已經(jīng)完成了平臺物理和工程設計工作，“課題組近日在測試臺上取得了連續24小時(shí)運行的偏濾器靶板束流密度等離子體的新紀錄，驗證了關(guān)鍵部件的穩定性。這些關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，將為后續材料測試平臺的調試和運行積累寶貴經(jīng)驗，為CRAFT偏濾器研究系統建設奠定基礎。”

　　此外，偏濾器部件測試平臺、聚變遙操作測試平臺、輔助加熱系統、低溫系統、環(huán)向場(chǎng)大型超導磁體熱處理系統、中心螺管模型線(xiàn)圈磁體測試系統等子系統研制正在加快進(jìn)行。110KV終端變電站及附屬供配電系統，由內循環(huán)外循環(huán)和冷凍水系統組成的水冷系統等配套支撐系統已經(jīng)建成并投入運行。

　　自CRAFT設施項目開(kāi)工以來(lái)，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學(xué)團隊立足自主創(chuàng )新，以“時(shí)不我待、只爭朝夕”的緊迫感和“時(shí)時(shí)放心不下”的責任感，統籌協(xié)調加快推進(jìn)園區工程和設施主體工程建設。“科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng )新是第一動(dòng)力 ”，核聚變大科學(xué)團隊深入學(xué)習貫徹落實(shí)黨的二十大精神，加快推動(dòng)聚變堆主機關(guān)鍵系統綜合研究設施建成國際最先進(jìn)的大型綜合性測試平臺，為聚變堆關(guān)鍵工程技術(shù)研發(fā)和建設運行保駕護航，為我國聚變能事業(yè)的長(cháng)遠發(fā)展作出更多貢獻。