太陽之所以能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，是因?yàn)闀r(shí)刻發(fā)生著核聚變反應(yīng)。托卡馬克是進(jìn)行可控核聚變研究的主流裝置，它利用強(qiáng)磁場把上億攝氏度的等離子體長時(shí)間控制在真空容器里，并使聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行。由于它產(chǎn)生能量的原理與太陽相似，也被人們形象地稱為“人造太陽”。
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我們距離建造真正的聚變實(shí)驗(yàn)堆還有多遠(yuǎn)呢?12月1日，記者走進(jìn)合肥綜合性國家科學(xué)中心大科學(xué)裝置集中區(qū)，看到科研工作者正在為建造真正的聚變實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)核聚變這一夢想而忙碌著。
聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施(CRAFT)是合肥獲批綜合性國家科學(xué)中心后首個(gè)落戶大科學(xué)裝置集中區(qū)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，該設(shè)施目標(biāo)是建成國際核聚變領(lǐng)域參數(shù)最高、功能最完備的綜合性研究及測試平臺(tái)。目前，CRAFT設(shè)施主體工程建設(shè)正酣，關(guān)鍵子系統(tǒng)和大型測試平臺(tái)研制取得階段性重要進(jìn)展，已完成100余個(gè)關(guān)鍵里程碑建設(shè)任務(wù)及核心部件的設(shè)計(jì)、預(yù)研和測試驗(yàn)證，從子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(xiàn)場集成及調(diào)試階段。
“橘子瓣”真空室形成安全屏障
記者走進(jìn)聚變堆預(yù)研平臺(tái)園區(qū)11號(hào)科研廠房，一個(gè)高度約20米、形如“橘子瓣”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)映入眼簾，這就是CRAFT設(shè)施1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
該平臺(tái)為D型截面雙層殼體結(jié)構(gòu)，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(dá)5600噸。
這個(gè)“橘子瓣”有什么作用呢?中科院合肥物質(zhì)科學(xué)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(zhì)的情況下，才能進(jìn)行良好的、可控的聚變反應(yīng)，1/8真空室就可以提供真空度達(dá)10-6pa的真空環(huán)境，同時(shí)在聚變堆氘氚反應(yīng)中起著安全屏障的作用?！?/p>
真空室的研制離不開一個(gè)個(gè)技術(shù)難題的攻破。陸坤介紹，1/8真空室樣件平臺(tái)在研制過程中形成了40多項(xiàng)專利技術(shù)，包括精密成型、柔性自動(dòng)化焊接、相控陣超聲無損檢測以及大視場激光準(zhǔn)直測量等關(guān)鍵技術(shù)，并為遙控操作系統(tǒng)提供一個(gè)全尺寸的安裝模擬平臺(tái)。
“以高精度成型技術(shù)、大壁厚的焊接技術(shù)舉例，真空室的壁厚很厚，從50毫米到100毫米的焊接能產(chǎn)生很大變形，而真空室對(duì)焊接變形的精度要求達(dá)到毫米量級(jí)。”陸坤告訴記者，現(xiàn)在，真空室的精度控制在10毫米以內(nèi)，這個(gè)精度能滿足目前整個(gè)裝配以及未來運(yùn)行的需求。
目前，1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正在進(jìn)行最后的部件總裝，預(yù)計(jì)明年年初啟用。陸坤表示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建好之后，將利用真空室來安裝面對(duì)高溫等離子體的內(nèi)部部件，包括包層、偏濾器等，以及搭建遙控操作系統(tǒng)，開展相關(guān)維護(hù)模擬的驗(yàn)證。
單驅(qū)動(dòng)負(fù)離子束源 加熱“人造太陽”
“人造小太陽”要實(shí)現(xiàn)聚變，需要達(dá)到上億攝氏度的高溫。如何才能達(dá)到這個(gè)溫度呢?
“我們用中性束注入的方式進(jìn)行加熱，這就類似水蒸氣燒開水的過程，通過將負(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)的能量和功率提上來，達(dá)到聚變需要的溫度，未來可以將這個(gè)打到等離子體中。因此，提升負(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)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|(zhì)科學(xué)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(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)因射頻饋入穩(wěn)定性要求高、束引出面積大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長、負(fù)離子產(chǎn)生難且易損失的典型特征而挑戰(zhàn)巨大。單驅(qū)動(dòng)負(fù)離子束源是CRAFT負(fù)離子束源系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，主要用于研究負(fù)離子產(chǎn)生、引出和加速技術(shù)，對(duì)負(fù)離子束源的研制有重要的意義。
該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一直針對(duì)未來聚變堆中性束注入系統(tǒng)研制過程中的大面積負(fù)離子產(chǎn)生、引出、加速、束傳輸和調(diào)控等核心技術(shù)開展研究，分別開展了射頻放電鍛煉、負(fù)離子產(chǎn)生、引出和加速研究，通過參數(shù)優(yōu)化最高獲得204 A/m2的負(fù)離子引出，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可重復(fù)的105秒長脈沖負(fù)離子束。
“這些技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著我們從之前國際先進(jìn)水平的一半，達(dá)到了如今與國際水平并跑，意味著我國成為國際上少數(shù)掌握強(qiáng)流射頻負(fù)離子源核心技術(shù)的國家。”梁立振說，這為聚變堆的建設(shè)和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
TF磁體 約束等離子體
走進(jìn)聚變堆預(yù)研平臺(tái)園區(qū)8號(hào)科研廠房的恒溫潔凈車間，幾名科研人員正在進(jìn)行TF磁體的線圈繞制。
中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所研究員文偉說：“TF磁體是整個(gè)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(guī)定的類型工作，因此它是這個(gè)裝置中最重要的一個(gè)部件?！?/p>
環(huán)向場線圈繞制生產(chǎn)線由導(dǎo)體放送系統(tǒng)、導(dǎo)體校直系統(tǒng)、在線超聲清洗系統(tǒng)、導(dǎo)體噴砂與清洗系統(tǒng)、導(dǎo)體連續(xù)彎繞機(jī)、線圈繞制回轉(zhuǎn)平臺(tái)等設(shè)備通過自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制組成，開展聚變堆級(jí)全尺寸D形線圈的制造驗(yàn)證。
“目前，線圈繞制生產(chǎn)線的安裝和聯(lián)調(diào)測試已經(jīng)完成，正在用900米的銅纜導(dǎo)體進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)工藝的最終驗(yàn)證。驗(yàn)證之后，我們將采用超導(dǎo)導(dǎo)體開始正式線圈的制造。”文偉告訴記者。
“環(huán)向場線圈采用全球首創(chuàng)的高、中、低場三個(gè)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(yán)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(shù)對(duì)截面64mm×64mm的超導(dǎo)導(dǎo)體進(jìn)行連續(xù)精密繞制。”文偉告訴記者，采用這種分級(jí)式結(jié)構(gòu)將大大降低整個(gè)磁體的造價(jià)，一個(gè)磁體可以節(jié)約5億元，未來的聚變堆需要16個(gè)同樣的磁體，能夠節(jié)約近百億元。
目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了復(fù)雜輪廓繞制運(yùn)動(dòng)軌跡模擬、無張力連續(xù)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。
“下一步我們將在黨的二十大精神指引下，發(fā)揮青年科技工作者的創(chuàng)新和實(shí)踐的能力，爭取早日攻克聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)當(dāng)中介入實(shí)體制造的關(guān)鍵技術(shù)，為中國聚變實(shí)驗(yàn)堆的早日建成貢獻(xiàn)力量?！蔽膫フf。(見習(xí)記者 鹿嘉惠)
