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从-269℃到1亿摄氏度，“人造太阳”如何经历“冰与火”的极度考验？

抖音快讯 2025年02月27日 09:46 2 admin

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从-269℃到1亿摄氏度，“人造太阳”如何经历“冰与火”的极度考验？

安徽合肥“科学岛”上有一个名为“东方超环”的托卡马克核聚变实验装置，这是世界上第一个全超导托卡马克核聚变实验装置。该装置有近百万个零部件协同工作，汇聚了“超高温”“超低温”“超强磁场”等多项尖端技术，人们往往将它形象地称为“人造太阳”。

-269℃，这是接近热力学理论上绝对零度（-273.15℃）的温度。1亿摄氏度，这是比太阳核心温度还要高6倍且常人难以想象的高温。

如果说有一种装置，在制造过程中既要经受住接近绝对零度的“极度冷冻”，又要经受住上亿摄氏度高温的“极端炙烤”，这其中的难度有多大？

可以肯定的是，在安徽合肥，这样的“不可能”正在变为现实。

在一座位于安徽合肥西北部的“科学岛”上，有一个巨大的罐体，这个“巨罐”学名叫托卡马克，但人们更喜欢将它形象地称为“人造太阳”。

太阳之所以能发光发热，主要是因为内部的核聚变反应。如果能在地球上造一个“太阳”来发电，这无疑会让“能源自由”的愿景变得越来越清晰。

可控核聚变是一项典型的前沿性、颠覆性技术。2024年，科技部等七部门联合发布《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，提出要加强推进以核聚变为代表的未来能源关键核心技术攻关。

合肥“科学岛”上这个名为“东方超环”的托卡马克核聚变实验装置，是世界上第一个全超导托卡马克核聚变实验装置。该装置有近百万个零部件协同工作，汇聚了“超高温”“超低温”“超强磁场”等多项尖端技术，拥有专利近2000项。每个托卡马克的建造者，都在做一件“无先例可循的事”。

几万个接头要“密不透风”

2月7日，位于“科学岛”上的合肥聚能电物理高技术开发有限公司，几名工人正在将一根根铜铝复合构件从液氮中捞出。在与室外空气接触后，这些构件上很快便笼罩了一层雾气。工人们说，这些构件刚刚经历了一次冷热循环试验。

几周前，这里刚刚传出一个振奋人心的消息：“东方超环”首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”，即成功实现超1亿摄氏度、1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造托卡马克装置高约束模运行新的世界纪录，也标志着我国聚变能源研究实现从基础科学向工程实践的重大跨越。

对于科研团队来说，“亿度千秒”的实现，充分验证了聚变堆高约束模稳态运行的可行性。然而，对于工程团队来说，为准备下一次实验而要开展的设备“升级”工作才刚刚开始。

“巨罐”里面有着上亿摄氏度的高温，这对于任何耐热材料都是难以承受的。科学家需要研制一个“磁笼子”，用强磁场将等离子体约束在“磁笼子”里，这就相当于让等离子体处于一种“悬浮”状态。

这样的“磁笼子”需要的强磁场究竟有多强呢？

记者了解到，“巨罐”内部的磁场强度达到了地球磁场强度的约7万倍。如何做好这样的超导磁体，成为摆在工程团队面前的重大考验。

“超导磁体必须要冷到一个极限温度。”合肥聚能电物理高技术开发有限公司总经理吴杰峰说，一般情况下，工作人员需要将超导磁体稳定在-269℃，这个温度对制作过程中每一个环节的要求都十分苛刻。

“超导磁体内有几万个接头需要焊接，每个接头都需要在低温环境下保持一定的漏率。如果一开始就控制不好漏率的话，等到真正运行再去发现漏点，那维修的成本实在太高。”吴杰峰解释说。

近百万个零件不能出现任何意外

鲜为人知的是，在“人造太阳”的制造过程中，很多零部件是不能用自动化设备来批量生产的，而是要靠工人师傅们纯手工制作。因此，手感是工人师傅们“只可意会且难以言传”的绝技。

“如果今天师傅的状态不好，很可能会影响手上的活。”作为合肥聚能电物理高技术开发有限公司制造中心副主任、首席技师，陈建林时常把这句话挂在嘴边。

在陈建林看来，对于核聚变实验装置来说，哪怕有一个环节出现了一丝一毫的问题，最终的损失都是不可估量的。

“埃菲尔铁塔的金属框架有7000多吨，聚变堆装置的重量是这个数值的4倍。”据吴杰峰估算，未来的聚变堆装置需要用约3万吨的各类高精度部件进行装配，零件数量近百万个。

这是一个高度复杂的系统，对各类零部件的制造、加工、安装都有着严格的要求。

陈建林曾参与包括“人造太阳”在内的十余项国内外重大科学工程核心部件及系统的总装调试工作。其中，“东方超环”装置的核心部件之一——内置式低温泵就是陈建林在“守护”。

依靠多年的工程经验，陈建林有着超越检测工具的“手感”。“东方超环”装置总体直径约4米。在狭小、不透气的内真空室，陈建林经常只能蹲在固定的位置进行操作，时间长了腿就会麻，站都站不起来。

“在那段时间，思想上不能开任何小差，连做梦都在想着如何能精准安装到位。”陈建林说。

在高速公路上“走钢丝”

尽管等离子体是被约束在“磁笼子”内悬浮的，但整个“巨罐”还是不得不直面上亿摄氏度的高温，这对内部材料及部件的研制提出了极高的要求。

一般情况下，科学家们会提出一些理论要求，陈建林和同事们会通过加工、装配、检测等一系列复杂工序将科学家们的要求变为现实。

不同的材料，特性完全不一样。如何把它们装配在一起，是一件非常困难的事情。

钳工高级技师张虎在合肥聚能电物理高技术开发有限公司工作多年，对不同形状、不同材料的部件进行装配是他的主要工作内容。在工作中，他不仅要熟悉各种零部件之间的装配特性，还要了解不同工艺的特点，才能在装配过程中有针对性地解决问题。

另外，在极高温的环境下，不同的金属，膨胀系数不一样，导热性能也不一样。

“对于这些部件，在工艺设计上就必须十分讲究，因为要确保极低温下和极高温下，都要具备稳定性、安全性。这就像走钢丝一样，在高速公路上开汽车不难，但走钢丝的话，难度就完全不同。”吴杰峰说。

吴杰峰时常把自己的日常工作比喻为“解方程式”。

他解释说，“在极低温和极高温的夹缝中开展工作，往往会影响产品开发、材料选择、加工制造的过程，可选的域度非常小。这就像解方程一样，当约束条件变多，最后只能历尽艰难险阻才能找到唯一解。”

“一个零部件，很少是一步焊成的。”张虎说，尽管可以采取不同的焊接方法进行梯度焊接，但是对黏合率的要求一点也不能降低，并且累积误差要越小越好。

每次装配之前，张虎往往要先在试验件上预演一遍。

“一旦装配真正的部件，绝不允许有一点差错。不仅因为材料太贵了，时间上更耗不起。”张虎说。

来源：工人日报

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