隔绝上亿度高温,全球最大“人造太阳”的“防火墙”是怎样筑成的?

2022-11-23 22:29:39来源:四川在线编辑:王诗侠

中核集团核工业西南物理研究院ITER增强热负荷第一壁项目团队正在攻坚克难。

四川在线记者 徐莉莎 发自贵州遵义

11月22日,从贵州省遵义市传来消息——全球最大“人造太阳”核心部件取得重大进展!国际热核聚变实验堆(ITER)增强热负荷第一壁完成首件制造,其核心指标优于设计要求,具备了批量制造条件。

这是我国在可控核聚变领域的巨大突破,标志着中国全面突破“ITER增强热负荷第一壁”关键技术,实现该项核心科技持续领跑,有力提升了我国在该领域的话语权。

ITER是全球最大的“人造太阳”,其模拟太阳内部的核聚变反应制造能量,过程中的温度超过一亿摄氏度。关键部件第一壁,就是它的“防火墙”,直接面对燃烧的上亿摄氏度等离子体。

这道“防火墙”是怎么筑成的?它又如何隔绝上亿摄氏度高温?其设计生产为何困难重重?记者采访了中核集团核工业西南物理研究院(简称“西物院”)相关专家。

初露真容

它是全球最大“人造太阳”的“防火墙”

11月22日,随着红绸缓缓滑落,首个全尺寸的增强热负荷第一壁原型件在聚光灯下真容初露。

透明的保护装置内,银色的第一壁反射着耀眼的光。它由无数个规则的“巧克力块”组成,边缘处呈弧形,微向内卷。它像古代将士的盔甲,更像是“人造太阳”的“防火墙”——隔绝着“人造太阳”上亿摄氏度的等离子体和外围设备。

为模拟太阳内部聚变反应获取永续能源,科学家们孜孜以求,试图在地球上实现可控核聚变。但是,面临这个“比登上火星还难”的科学工程,单靠一国之力难以实现。

为验证聚变能利用的科学和工程可行性,国际热核聚变实验堆ITER应运而生。它由包括中、美、俄、欧盟、日、韩、印度在内的七方35个国家共同参与,凝聚了地球上的顶尖科学智慧。这是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一。

第一壁,是ITER最重要的核心技术之一,也是中国承研的最重要的关键部件之一。西物院,凭借50多年可控核聚变研究经验,成为“防火墙”的“承建商”。

作为目前可控热核聚变的主流装置,托卡马克就像一个鸟笼,将线圈紧密排布,形成形似“甜甜圈”的均匀磁场,将等离子体约束并悬浮在环形空间内。第一壁就是这个高30米、直径28米“甜甜圈”的内壁,它直接面对上亿摄氏度的燃烧的聚变等离子体。

中核集团核工业西南物理研究院首席专家、ITER增强热负荷第一壁项目负责人谌继明。

西物院首席专家、ITER增强热负荷第一壁项目负责人谌继明说,第一壁部件的服役工况恶劣,作用极大。它要限制等离子体,防止其越界;同时屏蔽来自等离子体的一亿摄氏度高温辐射与高能离子流,承受高能中子的冲击,保护外围设备不受损害。为防止部件边缘暴露在过高的等离子体热流中,这堵“防火墙”还被设计成向等离子体凸起的弧形表面,大大增加了加工制造难度。

一开始,ITER早期设计第一壁的表面热负荷为每平方米0.5兆瓦。因为“甜甜圈”的更中心,还有限制器作为第一壁的“保护盾”,承担限制等离子体的作用。

由于苛刻的运行环境和加工制造要求,承担限制器采购包的外方,宣布退出这个采购计划。这样一来,2008年,ITER设计变更中取消了窗口限制器,将其功能附加到第一壁上,致使第一壁的表面热负荷大幅提升。

谌继明说,其中约一半第一壁的表面热负荷达到每平方米2兆瓦,被称作“普通热负荷第一壁”;另一半的热负荷提高到每平方米4.7兆瓦,被称作增强热负荷第一壁。指标上升了一个量级,研发难度也几何级提升。

“零基础”的中方,承担了最难的增强热负荷第一壁的研制。压力,传导到西物院。

关山难越

18年,西物院筑起这道“防火墙”

18年,一个婴孩从落地到长大成人的时间。对谌继明来说,这是他交付给第一壁的时光。大科学工程的建设是精密管理的过程。18年里,他亲历了从材料认证到“手指件”小模型认证,从2016年突破半原型件生产,到如今全面突破全尺寸原型件生产。

ITER给图纸,中方加工制造,看似简单的分工,背后却有无数创新。漫漫长征路,从底层技术创新——材料研发开始。

“防火墙”要承受、传导上亿摄氏度的高温辐射,材料选择至关重要。经过8年上千次实验,谌继明找到的方案是一种“三明治”结构体——铍+铜+不锈钢。

来自绿柱石的金属铍,极易氧化,热传导性极强,可以改善腔内真空,提高等离子体品质,同时实现快速传热;铜,作为热沉,同样起着热传导的作用,热量经过铜传导到冷却水,很快被带走;不锈钢支撑背板,则起着支撑作用。

中核集团核工业西南物理研究院ITER增强热负荷第一壁项目团队。

一开始,中国没有符合ITER要求的高纯铍。谌继明说,主要难度在于铍金属很脆,难以满足拉伸性能指标。团队与企业合作,自主研发了ITER级真空热压铍,纯度优于99%,铍的拉伸强度和塑性均满足ITER要求。2010年,国产高纯度铍获得ITER组织接受,成功进入ITER第一壁铍材目录,打破西方国家对高纯度铍材料的垄断和封锁。

除了和上亿摄氏度高温“亲密接触”,“三明治防火墙”还必须做到密不透风。“这里头最难的是‘三明治’之间的连接,特别是铍瓦和铜冶金的结合连接。”谌继明说。两类异质金属,物理性质差异极大。如果连接界面出问题,热量无法及时传导,将导致材料过热熔化、脱落,掉入等离子体。

铍铜连接,谌继明团队和这个问题“缠斗”了十几年。2016年上半年,中方成功制造出ITER计划首件高热负荷型第一壁半原型件,并于当年9月率先通过高热负荷测试。20个手指件,成品率达到90%,率先攻下这道难关。“但到了全尺寸原型件制造阶段,一个个老出问题,形状变、结构也变,成品率跟着下滑。”

那是团队的至暗时刻。在实验室进行科学研究,可以控制条件,专注于一个点。但大科学工程,工序上百,影响因素成千上万,排查问题的办法,只能“归零”。谌继明带着团队从理论分析开始复盘,重新制定技术路线,再进行验证,形成工艺规范并严格执行,近几年的成品率上升到新高。

ITER项目要求焊缝全焊透,同时背面无飞溅。对激光焊而言,这是两个相悖的要求。在当时,无论是激光焊机的制造商、生产企业还是科研院所,都无法解决这个问题。谌继明团队自己开发技术,创造性地提出一种防飞溅吹气焊方法,实现了焊接水道背面无飞溅,并作为国际首创在压力容器上使用了激光焊接技术。

他们还通过改进设计,增加超级蒸发器冷却通道柔性槽,降低冷却通道的受力,使得第一壁材料的寿命从1.5万次,理论上提升到15万次以上,远超ITER的要求。

国际专家来到中核集团核工业西南物理研究院交流。

铍的原料价格高,一个手指件又被称为“金手指”,造价高昂。“铍瓦坏一块,一张第一壁板的四十个‘金手指’就废了。”为了提高第一壁部件的容错余地,实现问题铍瓦可替换,谌继明带领团队整整花了4年时间实现这个功能,大大降低了生产成本。

2022年11月,西物院与贵州航天新力科技有限公司通力合作,克服重重困难,合力攻关,解决了一系列技术难题,成功完成部件的焊接装配。中国团队领先国际完成首件制造,再次为ITER关键部件的研发取得实质性工程突破,标志着我国郑重履行了国际承诺。

道阻且长

“路再长,走下去,定能到达!”

“这是我国为ITER计划作出的又一贡献。”刚从法国归来的科技部中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆,通过视频参与了第一壁首件产品完工见证仪式。

国际热核聚变实验堆(ITER)增强热负荷第一壁完成首件制造。

按照计划,ITER装置预计在2028年产生第一束等离子体,这将标志着该装置正式进入运行阶段。这意味着第一壁的批量化生产近在眼前。

该中心项目工程处处长刘生透露,第一壁首件制造成功,为后续批量化生产奠定了基础。据透露,增强热负荷第一壁共需生产60件,其中6件为备件。

罗德隆表示,“希望第一壁团队继续开展精细化制造过程管理,完善、固化制造技术,为批量化生产和自主建设聚变堆奠定基础;希望积极思考和研究,将第一壁的技术成果应用在更广泛的国民经济领域,让技术成果带来更大的效益。”

批产完工后,这些部件将漂洋过海,抵达法国南部的卡达拉舍。

运输,是未来第一壁将面临的又一道难关。铍很容易表面吸潮氧化,其氧化后性能变差。“因此要将其机械式固定在真空容器中,还要进行实时监测,以保证能完好无损地装配到ITER上”谌继明说。

“中国人为什么要费力啃下ITER第一壁这一硬骨头?”记者问。

西物院院长刘叶说,中国参与ITER项目,一方面是为ITER计划贡献中国智慧和中国力量,另一方面也将极大提高我国核聚变研究水平。

用谌继明的话说,“中国发展核聚变能源的出路,就是要参加ITER。不参加ITER的话,我们会越来越落后。”

西物院是我国最早从事核聚变能源开发的专业研究院,建成了目前国内规模最大、参数最高的新一代“人造太阳”,并在近期再次取得突破性进展——等离子体电流突破115万安培,标志着我国核聚变研发面向聚变点火迈进了重要一步。

刘叶说,西物院作为我国参与ITER计划的重要技术支撑单位,承接了中国ITER关键部件研制任务绝大部分涉核部件的研发与加工制造任务。通过整合国内外优势资源,西物院突破了多项工程技术难题,建立了ITER关键部件的设计、制造、检验的技术规范和测试平台,极大地提高了我国核聚变技术水平。

国际热核聚变实验堆(ITER)增强热负荷第一壁完成首件制造。

有悲观者说,核聚变是永远的50年。言下之意,因为难度太大,科学家们50年前的愿景至今没有实现,还要等下一个50年。

但是,科学家们仍在孜孜以求。ITER,在拉丁文中意为“路”。刘叶在致辞中,说了意味深长感性的一段话:“山再高,往上攀,总能登顶;路再长,走下去,定能到达!”

本文图片由中核集团核工业西南物理研究院提供

    编辑推荐