這個人造太陽的“充電寶” 最大放電功率等同一座核電站丨70年70人·科技⑦

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新一代“人造太陽”超級資料

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將等離子體電流從我國現有裝置的1兆安培提高到3兆安培，等離子體溫度超過2億度

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在安裝產生磁場的線圈時，其同軸度在半徑方向的偏差要控制在1毫米內，線圈中平面高度的偏差則控制在正負1毫米之內

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總重約800噸的我國首臺30萬千伏安立式脈衝發電機組，工作時十秒內的最大放電功率，相當於裝機容量30萬千瓦的秦山一期核電站

6月5日，在成都的中國環流器二號M（HL-2M）裝置建設現場，該裝置主機線圈系統現場交付後，中核集團、東方電氣集團、華西集團三方代表共同點亮啟動球，拉開中國新一代“人造太陽”裝置總體安裝序幕。

按照計劃，今年年底基本完成該裝置總裝。安裝完成後，這個高和直徑約十米的“人造太陽”實驗裝置，從引數、規模以及製造工藝要求等方面與“前輩”比較起來，都大為領先或最佳化。

8月底，封面新聞記者再一次探訪了正在總裝中的中國環流器二號M（HL-2M）裝置，以期揭開這一超級裝置的超級工藝。

精密組焊

給等離子體“造房子”

中國環流器HL-2A

位於核西物院的試驗大廳裡，一個高度3米多，直徑5米多，呈銀白色如“甜甜圈”的真空室被安置在一角，等待與核心部件“中心柱”的合體。

未來，其如宇宙飛船太空艙的內部，就是核聚變反應發生的地方，等離子體將在那懸空“遊走”。而新一代“人造太陽”的等離子體引數將大幅度提高到近堆芯水平，等離子溫度將超過2億攝氏度。

中核集團核工業西南物理研究院“真空室”技術研究員冉紅介紹，投入使用後，真空室內會達到10的負十次方大氣壓的超高真空，比宇宙密度還要稀薄好幾個數量級。而真空室內等離子體達到的體積將是前一任裝置真空室的三倍以上，執行時，“甜甜圈”還可能會承受上百噸的電磁力。

因此，真空室在製造過程中對結構強度以及尺寸精度要求極高。真空室是國內首臺特材雙曲面薄壁件真空室，採取的是全焊式結構，由20段扇形段整體組焊成環。“就好像把剝開的橘子瓣組裝回去一樣。”冉紅形容。

但每一段扇形段在單段製造階段剛性差、易變形，加之由於焊接時在上千度的高溫下更易造成變形，因此要達到“整體組焊成環後要求平面度小於1mm內、外圓同軸度小於2mm”的要求並非易事。冉紅回憶，透過上萬個尺寸資料測量、數百次的測量資料分析、幾十次的反覆組對試裝，才摸索和完成出一套保證精度的工藝。

“籠”住帶電粒子

毫米誤差內安裝磁場線圈

離真空室不遠處，中國環流器二號M裝置裡高達5米的中心柱已經落座重力支撐環上，環繞在周圍技術工人正在為吊運一塊餅狀重達5噸的線圈作準備。

主機與真空技術研究室副主任劉曉龍介紹，通電後這塊餅狀線圈將產生極向磁場。“不僅如此，環繞在真空室外的線圈還會產生環向的磁場，最終環向磁場和極向磁場線圈通電以後，各自形成的磁場將疊加在一起，形成一個‘磁場籠子’，約束真空室內的帶電粒子運動。”

他解釋，等離子體溫度達到上億攝氏度，這是目前任何材料都難以承受的。正是這樣，科學家才利用這樣強磁場籠子裝住等離子體的方式，將高溫的等離子體和材料隔離，理想情況下，使其懸浮不碰觸到真空室的內壁造成破壞，進而對等離子體加熱進行加熱，為實現聚變反應提供條件。

“但這也就要求透過控制磁場能夠精確穩定控制等離子體的位置和形狀，在等離子體放電過程中對其進行約束。”劉曉龍告訴記者，不僅如此，裝置執行電流透過時，線圈區域性地方會承受上千噸的電磁力。“比如對於圍繞在中心柱上的線圈而言，其並非是完整的一條線，而是差不多由192段線圈焊接繞制而成。而相接的部分面積又極小，承受的電磁力載荷非常大，所以更相應的焊接和繞制工藝提出了極高要求。”

核工業西南物理研究所聚變科學所研究員蔡立君介紹，在安裝產生磁場的線圈時，其同軸度在半徑方向的偏差要控制在1毫米之內，線圈中平面高度的偏差則控制在正負1毫米之內。

據悉，新一代裝置能夠承載更大線圈電流，有望將等離子體電流從我國現有裝置的1兆安培提高到3兆安培。

新式“充電寶”

脈衝放電功率等同一座核電站

HL-M中國環流器新一號

為了滿足新一代人造太陽大功率、高儲能的供電需求，中核集團核工業西南物理研究院與哈電集團哈爾濱電機廠有限責任公司也共同研製出我國首臺30萬千伏安立式脈衝發電機組。

在核西物院內，記者看到了這個總重約800噸，總高約15。5米如綠色“堡壘”的發電機組。而在一條過道之隔的廠房內，安放著它的“前輩”，即為中國環流器二號（HL-2A）裝置供電的3臺脈衝發電機組。其中有2臺自主研發製造的發電機組系已為之前三代“人造太陽”服務近四十年的“三朝元老”。

核西物院聚變科學所副總工宣偉民介紹，與原有的3臺臥式脈衝發電機組相比，新一代機組的釋能能力和電功率輸出均相當於此前3臺的總和。“作為六相大電流脈衝發電機組，其在工作時十秒內的最大放電功率，相當於裝機容量30萬千瓦的秦山一期核電站。”

資料顯示，該大型立式脈衝發電機組的額定轉速為500轉/分，總儲能達到2600兆焦，額定電壓3千伏，額定電流29千安。

工作時，該發電機組先由電動機拖動十幾分鍾後，轉速從零升至每分鐘498轉，準備為裝置提供電能。透過發電機載入勵磁給裝量供電，在十幾秒內能夠釋放1350兆焦能量，此時機組轉速將下降至每分鐘335轉，然後幾分鐘內再次提速到每分鐘498轉，再次進行放電，依次反覆迴圈，實現能量儲存、能量轉換和功率放大。

封面新聞記者 楊晨 關天舜 實習生 王靖予

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