初冬時(shí)節(jié)，走進(jìn)位于合肥市郊三十崗的合肥綜合性國家科學(xué)中心大科學(xué)裝置集中區(qū)，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施”建設(shè)如火如荼，主體工程“進(jìn)度條”全力推進(jìn)。

“目前已經(jīng)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)入到部分關(guān)鍵部件的研制和現(xiàn)場集成及調(diào)試階段。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院劉志宏研究員告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施正在加快建設(shè)。

【資料圖】

國際核聚變領(lǐng)域參數(shù)最高的綜合研究平臺(tái)

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)。

自CRAFT設(shè)施主體工程開工以來，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)在材料綜合性能研究、超導(dǎo)導(dǎo)體性能研究、超導(dǎo)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(tǒng)、遙操作系統(tǒng)、配套支撐系統(tǒng)等方面開展核心技術(shù)攻關(guān)和關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)。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。

在聚變堆園區(qū)11號(hào)科研廠房，一個(gè)高度20米，外形似“橘子瓣”狀的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)基本落成，這就是CRAFT設(shè)施1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即將建成投入使用。

該平臺(tái)為D型截面雙層殼體結(jié)構(gòu)，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(dá)5600噸。

“這個(gè)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)，發(fā)展和掌握了聚變堆真空室建造過程中諸如精密成型、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)。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉志宏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行最后的部件總裝。劉志宏表示，預(yù)計(jì)1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)明年初啟用。

關(guān)鍵部件全部自主研制，為點(diǎn)亮“人造太陽”打基礎(chǔ)

聚變堆園區(qū)8號(hào)科研廠房的恒溫潔凈車間內(nèi)，環(huán)向場線圈繞制生產(chǎn)線剛剛竣工完成。該生產(chǎn)線主要由導(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。

大型環(huán)向場線圈繞制生產(chǎn)測試平臺(tái)已經(jīng)建成。

此環(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。

“我們采用無張力繞制技術(shù)對(duì)超導(dǎo)導(dǎo)體進(jìn)行連續(xù)精密繞制。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人文偉研究員說，“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，掌握了核心技術(shù)。”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，用于首個(gè)認(rèn)證件繞制的900余米長的全尺寸導(dǎo)體也已就位，即將開展線圈繞制工藝驗(yàn)證，為后續(xù)工作奠定成熟技術(shù)和工藝基礎(chǔ)。

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。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。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人謝亞紅研究員說，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(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)的研制提供了重要保障。

聚變堆園區(qū)13號(hào)北大廳是偏濾器等離子體與材料相互作用研究平臺(tái)的所在地，這里將建成國際上參數(shù)水平最高的直線等離子體裝置及其輔助系統(tǒng)，可產(chǎn)生聚變堆偏濾器所要承受的穩(wěn)態(tài)大束流等離子體，推動(dòng)面對(duì)等離子體部件的研發(fā)。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人周海山研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成平臺(tái)物理和工程設(shè)計(jì)工作。周海山介紹，“我們?cè)跍y試臺(tái)上取得了連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行的偏濾器靶板束流密度等離子體的新紀(jì)錄，驗(yàn)證了關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性。這些關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，將為后續(xù)材料測試平臺(tái)的調(diào)試和運(yùn)行積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，為CRAFT偏濾器研究系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。”

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

自CRAFT設(shè)施項(xiàng)目開工以來，中科院合肥研究院等離子體所核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)立足自主創(chuàng)新，克服重重困難，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)加快推進(jìn)園區(qū)工程和設(shè)施主體工程建設(shè)。

核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)始終聚焦聚變堆建設(shè)運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)和工程建設(shè)難題，瞄準(zhǔn)加快聚變能開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程，加快推動(dòng)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施建成國際最先進(jìn)的大型綜合性測試平臺(tái)，為未來聚變堆關(guān)鍵工程技術(shù)研發(fā)和建設(shè)運(yùn)行保駕護(hù)航。

(中科院合肥研究院供圖)

關(guān)鍵詞： 等離子體 系統(tǒng)綜合 設(shè)施主體 工程建設(shè) 核心技術(shù)