人類一旦掌握了核聚變能，便可擁有源源不斷的清潔能源。
12月1日，冬日里的合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心大科學(xué)裝置集中區(qū)內(nèi)，科研工作者正在向這一人類終極夢(mèng)想不斷邁進(jìn)。
作為國(guó)家“十三五”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(CRAFT)是合肥獲批綜合性國(guó)家科學(xué)中心后首個(gè)落戶大科學(xué)裝置集中區(qū)的國(guó)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(guó)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(cè)試平臺(tái)。當(dāng)前，該主體工程“進(jìn)度條”全力推進(jìn)，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(cè)試驗(yàn)證，從子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測(cè)試階段進(jìn)入到了部分關(guān)鍵部件的研制和現(xiàn)場(chǎng)集成及調(diào)試階段。
“橘子瓣”：提供真空環(huán)境
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真空室能夠?yàn)樯蟽|攝氏度高溫等離子體提供真空環(huán)境，只有在高真空、無雜質(zhì)的情況下能夠很好地進(jìn)行聚變反應(yīng)。同時(shí)也是聚變堆氘氚反應(yīng)中的一道安全屏障。”中科院合肥研究院等離子體物理研究所副所長(zhǎng)陸坤介紹說。
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，是個(gè)名副其實(shí)的“焊接俠”。
“我們攻克了高精度成型技術(shù)，尤其是焊接技術(shù)。一個(gè)1/8扇段的壁厚從50毫米到100毫米，不僅厚還要保持高精度，需要達(dá)到毫米量級(jí)焊接變形的要求。”陸坤說，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(cè)以及大視場(chǎng)激光準(zhǔn)直測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。
目前，預(yù)計(jì)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。
距離真正的聚變實(shí)驗(yàn)堆還有多遠(yuǎn)?“目前我們已經(jīng)完成了聚變堆所有的工程設(shè)計(jì)，40%以上核心部件的圖紙也已經(jīng)完成，具備了建造我們自己大型聚變堆的工程條件。”陸坤透露，目前正在規(guī)劃一個(gè)緊湊型的小型聚變堆，探索前期的氘氚運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)今年年底啟動(dòng)建設(shè)，明年開展相關(guān)部件的研制工作。
“開水壺”：“加熱”“人造太陽”
“人造太陽”要實(shí)現(xiàn)聚變，那么它需要達(dá)到上億度的溫度。“加熱方式有很多，我們選擇的是中性束注入的方式。”中科院合肥研究院等離子體物理研究所梁立振副研究員打了個(gè)比方：“類似于水蒸氣燒開水的過程。我們將負(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)的能量和功率提上來，這就意味著提升了‘人造太陽’的加熱功率和能量。”
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(zhǎng)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(guó)際先進(jìn)水平的一半，達(dá)到了如今與國(guó)際水平并跑，意味著我國(guó)成為國(guó)際上少數(shù)掌握強(qiáng)流射頻負(fù)離子源核心技術(shù)的國(guó)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：制造D形線圈
走進(jìn)聚變堆園區(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。
環(huán)向場(chǎng)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，用來開展聚變堆級(jí)全尺寸D形線圈的制造驗(yàn)證。
“目前我們已經(jīng)完成了整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)備安裝和聯(lián)調(diào)，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。”中科院合肥研究院等離子體物理研究所文偉研究員介紹道。
環(huán)向場(chǎng)線圈采用全球首創(chuàng)的高、中、低場(chǎng)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。文偉說，“我們采用無張力繞制技術(shù)對(duì)截面64mm*64mm的超導(dǎo)導(dǎo)體進(jìn)行連續(xù)精密繞制。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)。”
“采用現(xiàn)在的方法將大大降低整個(gè)磁體的造價(jià)。”文偉介紹，“未來的聚變堆需要16個(gè)同樣的磁體。一個(gè)磁體我們可以節(jié)約5億元，16個(gè)磁體能夠節(jié)約近百億元了。”
此外，偏濾器部件測(cè)試平臺(tái)、聚變遙操作測(cè)試平臺(tái)、輔助加熱系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、環(huán)向場(chǎng)大型超導(dǎo)磁體熱處理系統(tǒng)、中心螺管模型線圈磁體測(cè)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。
核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)正以“時(shí)不我待、只爭(zhēng)朝夕”的緊迫感和“時(shí)時(shí)放心不下”的責(zé)任感，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，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(guó)際最先進(jìn)的大型綜合性測(cè)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。(記者 徐慧媛)
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