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7年,扬帆再起航

7年,扬帆再起航

▲中性束注入装置

  在中科院合肥研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所)的东南角,一座静谧的3层小楼隐匿于葱郁的林木之中。寻上二楼,会议室里传出了热烈的讨论声。原来,中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI)研究室的科研人员正在讨论新一轮托卡马克核聚变实验装置东方超环(EAST)物理实验前夕该装置上两套中性束注入系统的工程调试结果。

  今非昔比。数年之前,这样的实验却只能想象。从强流离子源研制到首套NBI系统工程调试,从长脉冲中性束引出到开展NBI物理实验,从第二套NBI系统上马到面向未来聚变堆NBI关键技术的预研,等离子体所NBI研究从空白到国际先进,每一步幸运28的成功都凝聚着NBI人无尽的心血和汗水。

  决心,始奋斗

  装置建设是开展核聚变实验研究的基础,在等离子体所自主研制的首个全超导托卡马克装置全面建成并投入运行之后,伴随一轮轮物理实验的开展,提升装置运行区间变得尤为紧迫。急需建设电流驱动和高功率辅助加热系统以提高EAST的科学研究水平,满足其探索先进托卡马克运行模式的科学目标。中性束注入加热作为聚变装置辅助加热的必要手段,可满足聚变点火、燃烧等离子体控制、电流驱动等多项需求,也是未来聚变研究中不可或缺的关键技术。

  放眼核聚变研究领域,国际一流的聚变装置几乎都配备了中性束束线,更有甚者拥有四至五套不同功率的NBI系统。七年之前,等离子体所NBI研究还仅停留在一个课题组。2008年,等离子体所研究员胡纯栋怀揣着为EAST研制NBI的坚定决心在所领导支持下带领新组建的NBI研究室踏上了艰苦的征程。

  等离子体所NBI研究起步时困难重重,不仅没人没钱没技术,还面临着国外同行的技术垄断,一支只有几个人的小组在一穷二白的情况下想要研制出国内一流、国际领先的兆瓦级中性束注入装置,可谓难于上青天。

  “怕什么?”胡纯栋带领的NBI团队的优势就在于年轻不任性,意志坚定,敢于挑战。立足本职工作培养人才,他想方设法借调科研周转资金,争取国家项目支持。这支“年幼”的团队肩负着信任与嘱托,怀揣着对聚变事业的热爱与追求,满怀激情与梦想踏上了开展NBI研究的艰辛道路。

  汗水,扛得住

  中性束注入系统涉及等离子体物理、强流离子束、精密机械制造、高真空、低温工程、高电压及隔离、远程测控以及辐射防护等多学科技术领域。在研发过程中,强流离子源是“源头”设备,离子源的优劣直接决定了中性束的品质。兆瓦级强流离子源的研制在国内属于开创性的工作,首当其冲的是其关键部件的精密机械加工制造,特别是离子源引出系统各电极的加工尤为困难。

  百万升抽速的低温冷凝泵组研制又是摆在NBI团队面前的另一座大山。在大功率NBI系统中,需要由真空系统及时抽除的气体量在1.0×104Pa.l.s-1量级。在实验现场空间十分有限的条件下,完成泵组工程研制并实现主低温泵与差分低温泵协同工作,必须攻克系列关键技术。除此之外,还有高压电源系统、辅助电源系统、计算机控制与数据处理系统,束传输物理与工程、温度测量系统、仪控与连锁保护系统、束诊断测量系统等,一个个拦路虎不时出现,每一个子系统的每一次进展都饱含科研人员的汗水。

  炎炎夏日,他们在闷热狭小的装置容器内拆检零部件;寒风刺骨,他们携带精密仪器在冰凉的装置上实地调试设备、检测状态。实验室、EAST大厅、总控室、现场测试平台处处可见他们奔波忙碌的身影。一块块硬骨头最终都被NBI人逐一啃下,等离子体所NBI装置建成并调试成功,正式应用于EAST物理实验研究。

  成绩,胜不骄

  在包括中性束注入系统的EAST辅助加热项目于2008年正式立项之后,中性束注入研究好似迎来了蓬勃发展的春天,突破关键问题的一项项重大成果犹如雨后春笋,层出不穷。NBI人稳打稳扎,在科研道路上步步为营,胜不骄、败不馁,取得了一项项新突破。

  2010年12月,第一台兆瓦级大功率离子源研制成功;2011年5月,样机主真空室研制成功;2011年12月,样机百万升抽速低温冷凝泵机组研制成功;2012年1月,兆瓦级强流离子源阶段性调试成功;2012年底,实现100秒长脉冲中性束并在国内尚属首次;2013年9月,第一套NBI工程调试成功……

  2014年7月13日凌晨5时许,EAST实验总控发来“READY”信号,NBI运行人员随即根据指令,启动全套运行程序“起弧—放电—出束—注入”,监视器屏幕上缓缓显示出了引出束放电波形,成功实现对EAST装置的首次注入。在当年的EAST物理实验中,第一套中性束注入系统首次投入使用并实现了NBI高约束模式等离子体运行,开展了NBI相关的多种物理实验,取得了骄人的成绩。

  凭借着NBI人的艰苦奋斗,我国在中性束注入加热研究领域一步一个坚实的脚印不断向前迈进。等离子体所NBI的研究同样也受到了国内外同行的幸运28高度肯定。有国外专家称赞“太棒了”“短时间内完成了这么好的工作!”今年2月,EAST辅助加热系统项目国家验收意见认为“中性束注入系统实现了完全国产化,其能量范围、输出功率、脉冲长度均达到或超过设计指标,性能达到国际先进水平”。

  历经数年的发展,这支最初只有几人的课题组已经扩建成为一支在中性束注入研究及其实验运行方面专业素质过硬、肯拼、能干的专业团队。在装置研制过程中,对兆瓦级强流离子源磁场位型特性、中性束传输过程中再电离损失抑制、强流离子源关键物理与工程技术问题、束流光学、束品质优化等问题开展了深入研究,形成了一批创新成果,掌握了关键核心技术。

  如今,EAST新一轮物理实验已经拉开帷幕,等离子体所NBI人自主研制的两套NBI系统即将在实验中发挥重要作用,助推EAST既定科学目标的早日实现。在开展物理实验的同时,NBI人还瞄准国际热核聚变实验堆ITER计划和中国未来聚变工程实验堆CFETR的NBI系统研究。

  (原载于《中国科学报》 2015-06-15 第8版 平台)