聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施正在加快建設

“人造太陽”逐日夢，“聚變合肥”加速度。冬日暖陽下的合肥綜合性國家科學中心大科學裝置集中區創新創業熱潮涌動，國家“十三五”重大科技基礎設施“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”建設如火如荼，該設施的主體工程項目“進度條”全力推進，一派生機勃勃只爭朝夕的景象迎面撲來。

聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT）是合肥獲批綜合性國家科學中心后首個落戶的國家重大科技基礎設施項目，該設施目標是建成國際核聚變領域參數最高、功能最完備的綜合性研究及測試平臺。自CRAFT設施主體工程開工以來，等離子體所核聚變大科學團隊在材料綜合性能研究、超導導體性能研究、超導磁體、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、遙操作系統、配套支撐系統等方面開展核心技術攻關和關鍵設備研發。目前，CRAFT設施主體工程建設正酣，一些關鍵子系統和大型測試平臺研制取得階段性重要進展，超導磁體研究系統和主機偏濾器研究系統兩大主體工程的建設進程正在加快推進。CRAFT主體工程建設已經完成100余個關鍵里程碑建設任務及核心部件的設計、預研和測試驗證，從子系統的實驗室研發測試階段進入到了部分關鍵部件的研制和現場集成及調試階段。

在聚變堆園區11號科研廠房，一個高度20米，外形似“橘子瓣”狀的測試平臺已經基本落成。CRAFT設施1/8真空室及總體安裝實驗平臺，為D型截面雙層殼體結構，總高20米，D型截面高11米，最大環向直徑19.5米，最小環向直徑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。“該1/8真空室樣件平臺在研制過程中形成了40多項ZL技術，發展和掌握了聚變堆真空室建造過程中諸如精密成型、柔性自動化焊接、相控陣超聲無損檢測以及大視場激光準直測量等關鍵技術，并為遙控操作系統提供一個全尺寸的安裝模擬平臺。”項目負責人劉志宏研究員帶領團隊正在進行最后的部件總裝，預計1/8真空室及總體安裝實驗平臺將于明年初啟用。

聚變堆園區8號科研廠房的恒溫潔凈車間內，總長56米占地600㎡的CRAFT環向場TF線圈繞制生產線剛剛竣工完成。生產線主要由導體放送系統、導體校直系統、在線超聲清洗系統、導體噴砂與清洗系統、導體連續彎繞機、線圈繞制回轉平臺等設備通過自動控制系統聯動控制組成，將開展聚變堆級全尺寸D形線圈的制造驗證。此環向場TF線圈采用全球首創的高、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對截面64mm*64mm的CICC超導導體進行連續精密繞制。”項目負責人文偉研究員說到，“我們完成了復雜輪廓繞制運動軌跡模擬、無張力連續推彎成形、截面氦管自動焊接等一系列關鍵技術研究，掌握了核心技術。”目前，線圈繞制生產線的安裝和聯調測試已經完成，用于首個認證件繞制的全尺寸導體（936.05米）也已就位，即將開展線圈繞制工藝驗證，為后續工作奠定成熟技術和工藝基礎。

CRAFT負離子源中性束注入系統因射頻饋入穩定性要求高、束引出面積大、連續運行時間長、負離子產生難且易損失的典型特征而挑戰巨大。單驅動負離子束源（1/4尺寸）是CRAFT負離子束源系統研究的基礎，主要用于研究負離子產生、引出和加速技術，對負離子束源的研制有重要的意義。項目團隊一直針對未來聚變堆中性束注入系統研制過程中的大面積負離子產生、引出、加速、束傳輸和調控等核心技術開展研究，分別開展了射頻放電鍛煉、負離子產生、引出和加速研究，通過參數優化最高獲得204 A/m2的負離子引出，并實現穩定可重復的105秒長脈沖負離子束（負離子引出電流密度160 A/m2，束能量54.5 keV，電子負氫比例小于1）。“這些技術指標的實現，標志著我國成為國際上少數掌握強流射頻負離子源核心技術的國家。” 項目負責人謝亞紅研究員說。這些研究工作和關鍵技術的突破，也為聚變堆高功率負離子源中性束注入系統的研制提供了重要保障。

聚變堆園區13號北大廳是偏濾器等離子體與材料相互作用研究平臺的所在地，在這里將建成國際上參數水平最高的直線等離子體裝置及其輔助系統，可產生聚變堆偏濾器所要承受的穩態大束流等離子體，助力聚變堆中面向等離子體部件的研發。項目負責人周海山研究員帶領團隊已經完成了平臺物理和工程設計工作，“課題組近日在測試臺上取得了連續24小時運行的偏濾器靶板束流密度等離子體的新記錄，驗證了關鍵部件的穩定性。這些關鍵技術攻關，將為后續材料測試平臺的調試和運行積累寶貴經驗，為CRAFT偏濾器研究系統建設奠定基礎。”

此外，偏濾器部件測試平臺、聚變遙操作測試平臺、輔助加熱系統、低溫系統、環向場大型超導磁體熱處理系統、中心螺管模型線圈磁體測試系統等子系統研制正在加快進行。110KV終端變電站及附屬供配電系統，由內循環外循環和冷凍水系統組成的水冷系統等配套支撐系統已經建成并投入運行。