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聚变点燃梦想 中国力量“撑”起“人造太阳”(附图)

中国金牌娱乐工业联合会机经网  发布时间:2018-06-13 16:44:10  来源:中核集团


关键词: 人造太阳    磁体支撑    核聚变   

作为国内两家参与ITER 计划的科研院所之一的西物院,在2008年就成立了国家磁约束核聚变能发展研究专项,2010年与ITER签下磁体支撑采购包合同,并携手贵州航天新力铸锻有限责任公司等国内高端制造企业,经过八年设计、制造,完成这个采购包的第一批部件,于6月9日交付ITER国际组织。值得一提的是,磁体支撑采购包是国内唯一一个100%由中国制造的大型采购包。这批部件约占ITER整个磁体支撑系统的十分之一,其余的部分将在2020年底全部完成。

    繁忙的法国马赛港,即将接收到一批重达60余吨的来自中国的特殊货物,这批货物从贵州遵义发出,顺长江而下运达上海,再漂洋过海运至法国马赛港,最终将运抵国际热核聚变实验堆计划(ITER)组织总部。它是“人造太阳”的底座和框架。

  获得取之不尽用之不竭的清洁能源是人类的梦想,而可控的核聚变点燃了人类的这一梦想,核工业西南物理研究院的这批支撑装置使这一梦想离现实更近了一步。

  与核裂变相比,核聚变燃料资源近乎无限,安全性也更胜一筹。十二年前,ITER计划迈向实施阶段,吸引了包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等世界主要核国家和科技强国共同参与,由于其原理和太阳发光发热的原理相似,也被誉为“人造太阳”。

  作为国内两家参与ITER 计划的科研院所之一的西物院,在2008年就成立了国家磁约束核聚变能发展研究专项,2010年与ITER签下磁体支撑采购包合同,并携手贵州航天新力铸锻有限责任公司等国内高端制造企业,经过八年设计、制造,完成这个采购包的第一批部件,于6月9日交付ITER国际组织。这批货物包括18套极向场线圈支撑PFCS5以及首套重力支撑GS、极向场线圈支撑PFCS3、PFCS4产品。值得一提的是,磁体支撑采购包是国内唯一一个100%由中国制造的大型采购包。这批部件约占ITER整个磁体支撑系统的十分之一,其余的部分将在2020年底全部完成。

  在参与ITER项目的过程中,中国派出100余人,承担了其中9%的工作量,负责总共140个采购包中的18个,成为除欧盟外承担任务最多的国家。一方面,这是履行大国的责任和承诺,另一方面,也是利用这一平台向世界展现中国智慧。“ITER磁体支撑是最早交付并进场安装的基础部件之一,其体量和交付进度对于ITER整体安装以及后期装置运行的稳定性起到至关重要的作用。因此,磁体支撑部件的交付不仅是实现ITER计划2025年首次等离子体放电进程中的重大里程碑,并向世界表明中国正在履行中方的国际承诺。”在交付仪式上,ITER国际组织项目负责人Cornelis BEEMSTERBOER对中方任务的完成情况作出高度评价。

  从无法预料到准确认知

  说到磁体支撑,不得不提及它的“母体”ITER装置,它是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克。惯性约束和磁约束是常见的两种产生核聚变的方式,托卡马克则是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。ITER计划即是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内,使它受控制地发生大量的原子核聚变反应,释放出热量。

  “高30米,直径28米,接近于北京天坛祈年殿的尺寸。”这是中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆对ITER装置的比喻。为了承受这个1万吨的庞然大物,重力支撑(GS)、极向场线圈支撑(PFCS)和校正场线圈支撑(CCS)三部分,构成了ITER装置的四梁八柱,它们自身重量就达1600余吨。作为ITER重要结构安全部件之一,这批装置是ITER装置中最先进入厂房和安装的基础性部件,其质量和进度关系到整个ITER装置的运行稳定性和装配进度。

  “核聚变是包括重力场、温度场、强电磁场、辐射场等多种场的耦合,而核裂变则仅对温度场要求较高,这也意味着,可控核聚变的运行条件更加复杂,对装置的要求也更加严苛。”ITER磁体支撑项目负责人李鹏远告诉记者。对于磁体支撑来说,它们不仅承载着1万吨的磁体系统重量,还要承受极端条件下产生的巨大脉冲电磁力和强热应力,其复杂的工作环境,决定了对设计和制造的高要求。

  重力支撑GS是磁体支撑系统中最重的部件,由18套复杂支撑结构构成,每套重达23吨。其所支撑的超导磁体只能在极低温的环境运行,即绝对零度(-269°C)附近,而磁体支撑部件的底部温度却为室温,整个部件会经历从极低温到极高温的变化,温差达近300倍。“由于热胀冷缩,GS在顶部会收缩31毫米,而这个数值在设计之初无法准确预料。”李鹏远说。

  虽然人类物质对世界的认识在不断演进,但是对于浩淼宇宙来说还是很有限。“由于等离子体放电时产生的电磁力巨大,现在的物理学界都没有对其形成完全的认知,并且这项技术目前没有现成的标准,我们只有边摸索边更改,于是我们对GS的设计进行了更改。而在设计中这样的经历不计其数,经常眼看成功在望又被推翻重新修改。”李鹏远继续说道。

  从无法实现到提出中国方案

  在科技研发中,从设计到工程应用,从来都不是一条坦途,ITER更不例外。“ITER给我们提供的设计方案都是基于物理试验,并没有考虑工程上的可实现性,在实际应用到工程上时,我们才发现一些设计无法实现。”李鹏远说。

  起初,团队采取焊接方式对GS上下部位连接,而在实际焊接中,发现变形十分严重,也无法再次加工。“一旦一块韧性板产生焊接缺陷,整体价值上百万元的重力支撑部件就会报废。于是我们重新设计,采用螺栓以及夹板固定住21块韧性板,替代原先的焊接方案,并通过软件分析受力环境,在模型上进行测试,证明了设计的可行性,并通过了国际专家组的评审,推翻了其原来的设计,成为ITER最终制造方案。”聚变堆材料研究室副主任孙振超说道。

  在位于成都的西物院内,绿树掩映中有一座一层的试验厂房,五、六个试验设备正在同时工作,项目工作人员正在做磁体支撑系统的多项试验,此次交付的部件就是经由这些设备“千磨万击”的检验,为磁体支撑系统提供设计、制造依据。其中体量最大的是按照GS 1:1比例模拟的磁体支撑试验模型,这台设备可以分析包括地震在内32种可能出现的工况,并进行模拟试验,经过认证后再到贵州对部件量产。

  “由于ITER项目中所有磁体支撑产品都在极低温环境下工作,磁体支撑产品的原材料及部分产品都会在这里做超低温试验,国外虽然也有类似的设备,但是没有统一标准。我们充分依据国际上可执行可参照的标准,建造了数套超低温测试平台,检验从材料到部件在超低温条件下的可靠性,形成了一套标准,而国外的产品也可以用我们的设备接受检测。”孙振超说。同时,这些设备也可以为中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计、制造提供强有力的支撑。

  为了更好地兼顾物理学上的需要和工程上的可行性,磁体支撑项目团队和几家制造厂商一道攻克了各种设计、制造难题,其间孙振超和另一位工作人员在法国工作了半年,将中方实际的设计、制造情况与ITER沟通,实现了许多技术变更。

  此外,由于超导线圈只能在液氦温度下运行,冷却管的密封性能状况至关重要,一旦出现液氦泄漏,温度上升有可能导致超导线圈失超甚至烧毁。今年3月,磁体支撑团队完成了3套大型真空氦检漏设备的制造和调试,这一系列设备专门用于检测磁体支撑冷却系统是否存在泄漏风险。

  从并跑到领跑

  此次交付的部件中,数量最多的是极向场线圈支撑(PFCS),它们是18件外观类似U型的部件,单个重量3吨左右,他们如同橘子瓣一样拼接出托卡马克的框架。“这项技术虽然相对简单,但在制造上对精度要求较高,制造难度相对更大。”李鹏远说,当时他们试图用焊接方式制造,但是许多企业都没能成功实现,不是有缺陷,就是有变形,于是邀请了国内焊接领域的顶级专家、学者,讨论如何破解这个难题,而贵州航天新力公司提出了采用整体锻件切割的方案,并经过尝试将这项技术摸索成功,拿下了这一部件的制造商资格。

  这些U型部件从外观上看似寻常,却在左右两块板每个板的中间制造了一个缝隙,以更柔韧的姿态承受压力。对此,ITER提出要求,将左右的缝隙差异控制在正负2毫米以内,如果缝隙差异超过这个数值,会导致一边厚一边薄,进而导致受力不均匀,损坏部件,甚至造成整体试验的失败。而贵州航天新力公司采用的整体锻件切割技术,实现了高于ITER要求的标准,将误差控制在正负1毫米以内。这是中国力量在ITER项目中的一次强有力的展示。

  在八年耕耘中,我国建立的一系列从室温到极低温(-269℃)的材料和原型件测试平台处于国际领先水平;取得了多项关键技术的重大突破,超大尺寸整体锻造技术、316LN奥氏体控氮不锈钢制造技术、镍基718和A286高温合金紧固件制造技术等均达到国际前沿水平。工作人员们不仅解决了原ITER设计的缺陷,获得ITER组织一致认可和高度评价,更彰显了ITER国际项目的中国智慧。

  李鹏远坦率地告诉记者,在中国加入ITER组织之前,我国与一些发达国家在这方面的研发、制造能力差距较大,而在参与ITER之后,我们逐步实现了并跑,甚至在一些领域内我们已经实现了领跑。中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆也在交付现场作出评价:中方一直按照进度要求执行项目,目前在ITER研发、制造中处于领先地位。在中国参与ITER项目的过程中,全社会对核聚变的重视程度得到了提高,中方两家科研单位在此过程中科研能力提升很快,对于我国工程制造也有很大提升,其中一些项目已经达到世界领先水平。同时,我们也培养了一支在工程技术、科学研究、工程管理、国际谈判方面的人才队伍,为我国以后牵头大型国际工程起到了积极的作用。

  ITER装置将于2025年建成并实现首次等离子体放电,在人类未来能源探索的道路上,西物院以及多家中方企业贡献了中国力量,支撑起了“人造太阳”的梦想。“西物院在ITER磁体支撑的材料科学、装备制造、加工工艺这一完整的链条上实现了突破,我们对后续中方采购包的完成充满信心。” 西物院院长刘永说。我们有理由相信,更多的中国智慧将点燃人类利用清洁能源的终极梦想。(宁菁菁)

做好产业规划  推动产业升级
责任编辑:机经网编辑部 tongdx
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