作者:王夙素 来源:中国科学院等离子体物理研究所 发布时间:2022/11/28 16:07:31
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“人造太阳”逐日梦 “聚变合肥”加速度
——聚变堆主机关键系统综合研究设施正在加快建设

 

“人造太阳”逐日梦,“聚变合肥”加速度。冬日暖阳下的合肥综合性国家科学中心大科学装置集中区创新创业热潮涌动,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”建设如火如荼,该设施的主体工程项目“进度条”全力推进,一派生机勃勃只争朝夕的景象迎面扑来。

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。自CRAFT设施主体工程开工以来,等离子体所核聚变大科学团队在材料综合性能研究、超导导体性能研究、超导磁体、聚变堆真空室、偏滤器部件、等离子体与材料相互作用、辅助加热系统、遥操作系统、配套支撑系统等方面开展核心技术攻关和关键设备研发。目前,CRAFT设施主体工程建设正酣,一些关键子系统和大型测试平台研制取得阶段性重要进展,超导磁体研究系统和主机偏滤器研究系统两大主体工程的建设进程正在加快推进。CRAFT主体工程建设已经完成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。

在聚变堆园区11号科研厂房,一个高度20米,外形似“橘子瓣”状的测试平台已经基本落成。CRAFT设施1/8真空室及总体安装实验平台,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。“该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,发展和掌握了聚变堆真空室建造过程中诸如精密成型、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,并为遥控操作系统提供一个全尺寸的安装模拟平台。”项目负责人刘志宏研究员带领团队正在进行最后的部件总装,预计1/8真空室及总体安装实验平台将于明年初启用。

聚变堆园区8号科研厂房的恒温洁净车间内,总长56米占地600㎡的CRAFT环向场TF线圈绕制生产线刚刚竣工完成。生产线主要由导体放送系统、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,将开展聚变堆级全尺寸D形线圈的制造验证。此环向场TF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。“我们采用无张力绕制技术对截面64mm*64mm的CICC超导导体进行连续精密绕制。”项目负责人文伟研究员说到,“我们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。”目前,线圈绕制生产线的安装和联调测试已经完成,用于首个认证件绕制的全尺寸导体(936.05米)也已就位,即将开展线圈绕制工艺验证,为后续工作奠定成熟技术和工艺基础。

CRAFT负离子源中性束注入系统因射频馈入稳定性要求高、束引出面积大、连续运行时间长、负离子产生难且易损失的典型特征而挑战巨大。单驱动负离子束源(1/4尺寸)是CRAFT负离子束源系统研究的基础,主要用于研究负离子产生、引出和加速技术,对负离子束源的研制有重要的意义。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(负离子引出电流密度160 A/m2,束能量54.5 keV,电子负氢比例小于1)。“这些技术指标的实现,标志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。” 项目负责人谢亚红研究员说。这些研究工作和关键技术的突破,也为聚变堆高功率负离子源中性束注入系统的研制提供了重要保障。

聚变堆园区13号北大厅是偏滤器等离子体与材料相互作用研究平台的所在地,在这里将建成国际上参数水平最高的直线等离子体装置及其辅助系统,可产生聚变堆偏滤器所要承受的稳态大束流等离子体,助力聚变堆中面向等离子体部件的研发。项目负责人周海山研究员带领团队已经完成了平台物理和工程设计工作,“课题组近日在测试台上取得了连续24小时运行的偏滤器靶板束流密度等离子体的新记录,验证了关键部件的稳定性。这些关键技术攻关,将为后续材料测试平台的调试和运行积累宝贵经验,为CRAFT偏滤器研究系统建设奠定基础。”

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。

活力聚变堆园区,汇聚磅礴创新动能。自CRAFT设施项目开工以来,在各级领导及有关部门的高度重视和大力支持下,等离子体所核聚变大科学团队立足自主创新,克服重重困难,以“时不我待、只争朝夕”的紧迫感和“时时放心不下”的责任感,统筹协调加快推进园区工程和设施主体工程建设。核聚变大科学团队始终聚焦聚变堆建设运行的关键科学技术和工程建设难题,瞄准加快聚变能开发和应用进程,在基础前沿原始创新上不断攻坚发力,在聚变衍生技术上不断激发动能,在带动新兴产业发展上不断融合发展,着力提升整体创新发展效能。“科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力 ”,核聚变大科学团队深入学习贯彻落实党的二十大精神,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,为聚变堆关键工程技术研发和建设运行保驾护航,为我国聚变能事业的长远发展作出更多的贡献。

 
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