太陽之所以能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，是因為時刻發(fā)生著核聚變反應(yīng)。托卡馬克是進行可控核聚變研究的主流裝置，它利用強磁場把上億攝氏度的等離子體長時間控制在真空容器里，并使聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)地進行。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”。

我們距離建造真正的聚變實驗堆還有多遠呢?12月1日，記者走進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驗堆，實現(xiàn)核聚變這一夢想而忙碌著。

聚變堆主機關(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。目前，CRAFT設(shè)施主體工程建設(shè)正酣，關(guān)鍵子系統(tǒng)和大型測試平臺研制取得階段性重要進展，已完成100余個關(guān)鍵里程碑建設(shè)任務(wù)及核心部件的設(shè)計、預(yù)研和測試驗證，從子系統(tǒng)的實驗室研發(fā)測試階段進入到了部分關(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

記者走進聚變堆預(yù)研平臺園區(qū)11號科研廠房，一個高度約20米、形如“橘子瓣”的實驗平臺映入眼簾，這就是CRAFT設(shè)施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。

該平臺為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5600噸。

這個“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10-6pa的真空環(huán)境，同時在聚變堆氘氚反應(yīng)中起著安全屏障的作用。”

真空室的研制離不開一個個技術(shù)難題的攻破。陸坤介紹，1/8真空室樣件平臺在研制過程中形成了40多項專利技術(shù)，包括精密成型、柔性自動化焊接、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)提供一個全尺寸的安裝模擬平臺。

“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，而真空室對焊接變形的精度要求達到毫米量級。”陸坤告訴記者，現(xiàn)在，真空室的精度控制在10毫米以內(nèi)，這個精度能滿足目前整個裝配以及未來運行的需求。

目前，1/8真空室及總體安裝實驗平臺正在進行最后的部件總裝，預(yù)計明年年初啟用。陸坤表示，實驗平臺搭建好之后，將利用真空室來安裝面對高溫等離子體的內(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)維護模擬的驗證。

單驅(qū)動負離子束源 加熱“人造太陽”

“人造小太陽”要實現(xiàn)聚變，需要達到上億攝氏度的高溫。如何才能達到這個溫度呢?

“我們用中性束注入的方式進行加熱，這就類似水蒸氣燒開水的過程，通過將負離子源中性束注入系統(tǒng)的能量和功率提上來，達到聚變需要的溫度，未來可以將這個打到等離子體中。因此，提升負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。”中科院合肥物質(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)運行時間長、負離子產(chǎn)生難且易損失的典型特征而挑戰(zhàn)巨大。單驅(qū)動負離子束源是CRAFT負離子束源系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，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。

該項目團隊一直針對未來聚變堆中性束注入系統(tǒng)研制過程中的大面積負離子產(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的負離子引出，并實現(xiàn)穩(wěn)定可重復(fù)的105秒長脈沖負離子束。

“這些技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)，標(biāo)志著我們從之前國際先進水平的一半，達到了如今與國際水平并跑，意味著我國成為國際上少數(shù)掌握強流射頻負離子源核心技術(shù)的國家。”梁立振說，這為聚變堆的建設(shè)和發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

TF磁體 約束等離子體

走進聚變堆預(yù)研平臺園區(qū)8號科研廠房的恒溫潔凈車間，幾名科研人員正在進行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，因此它是這個裝置中最重要的一個部件。”

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、線圈繞制回轉(zhuǎn)平臺等設(shè)備通過自動控制系統(tǒng)聯(lián)動控制組成，開展聚變堆級全尺寸D形線圈的制造驗證。

“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)體進行整個生產(chǎn)工藝的最終驗證。驗證之后，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)對截面64mm×64mm的超導(dǎo)導(dǎo)體進行連續(xù)精密繞制。”文偉告訴記者，采用這種分級式結(jié)構(gòu)將大大降低整個磁體的造價，一個磁體可以節(jié)約5億元，未來的聚變堆需要16個同樣的磁體，能夠節(jié)約近百億元。

目前，該團隊已經(jīng)完成了復(fù)雜輪廓繞制運動軌跡模擬、無張力連續(xù)推彎成形、截面氦管自動焊接等一系列關(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)新和實踐的能力，爭取早日攻克聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)當(dāng)中介入實體制造的關(guān)鍵技術(shù)，為中國聚變實驗堆的早日建成貢獻力量。”文偉說。(見習(xí)記者 鹿嘉惠)