从“EAST”到“WEST”——偏滤器钨铜部件研发团队技术攻关简介

[日期:2020-08-17] 作者:十二室 [字体:大 中 小]

  偏滤器是磁约束核聚变装置最关键的系统之一,直接承受高温等离子体最严酷的热和粒子流冲击,对材料的选择以及异种材料之间的复合连接都提出了很大的挑战。等离子体所偏滤器钨铜部件研发团队经过多年关键技术攻关,为国家“九五”大科学工程项目EAST全超导托卡马克装置成功研制了可承受1000次10MW/m2高热辐照的钨铜穿管部件(W/Cu-monoblock),并通过产学研结合,在国际上首次实现了穿管和平板两种W/Cu复合部件的批量生产,为EAST 创造101.2 秒H 模长脉冲高参数放电的世界记录奠定了基础。团队的工作在国际上引起了极大的关注,2018年通过竞标获得法国原子能和替代能源委员会(CEA)WEST装置偏滤器W/Cu部件的国际采购合同。在WEST偏滤器的批量生产期间,团队成员面对突发的新冠疫情,逆行北京,确保部件的生产进度。

后来居上—国际上率先实现偏滤器W/Cu部件的批量生产和在EAST上的应用

  EAST是我国首次自主建造可运行非圆截面等离子体位形(偏滤器等离子体位形)的托卡马克装置。2012年等离子体所部署启动EAST上偏滤器升级改造计划——将热排出能力2MW/m2的石墨偏滤器升级为热排出能力为10MW/m2的水冷W/Cu偏滤器。水冷W/Cu结构是国际热核聚变实验堆ITER和未来核聚变堆的偏滤器的首选技术,W/Cu偏滤器结合了W 的高熔点、低溅射、低滞留,以及Cu 的高热传导等优点,但是由于W和Cu 热物理性能相差较大,两者的连接十分困难。

  接到研发任务后,等离子体所聚变堆材料及部件研究室偏滤器钨铜部件研发团队撸起袖子加油干,团结国内优势技术研发力量,在起步落后国外多年的情况下,经过近两年的技术攻关,在不断地挫折和失败中汲取经验,开发出钨与铜及铬锆铜(W/Cu/CuCrZr)三层材料的热等静压复合关键技术,使得我国成为国际上少数几个拥有该技术的国家。在此基础上成功研制了穿管和平板W/Cu部件,其中穿管W/Cu 部件承受住了1000 次10MW/m2,平板W/Cu 部件承受住了1000 次5MW/m2 的高热负荷辐照。另一方面,针对W/Cu/CuCrZr复合管部件,本团队与国内高校合作开发了探头柔性工装+旋转步进的超声检测方法,进而实现了W/Cu/CuCrZr复合弯管Cu-Cu和W-Cu界面复合质量的同时有效检测,检测精度达到Ф1mm。

  在此基础上,2013年夏EAST偏滤器W/Cu部件进入批量生产阶段。W/Cu部件生产工艺共有60多道工序,质量控制困难;单件生产周期长(周期为2个月),总工期又很短(不到一年)。面对任务重、时间短、批量生产初期合格率低等各种困难,研发团队没有一人退缩,大家以饱满的热情和积极的态度,全部骨干都舍弃家庭,长期蹲守在北京一线车间,参与到具体的生产和检测工作中。经过10个多月的奋战,终于在2014年4月初,完成了EAST上偏滤器W/Cu部件的全部生产任务,5月完成了偏滤器部件在EAST真空室内部的安装。总计为EAST上偏滤器生产了15000块钨铜块,720个钨铜串,24000片钨铜片,320块平板模块,240套部件的电子束组装焊接。世界上掌握钨铜偏滤器关键技术的国家不只中国,但是实现如此大批量生产和应用的目前仅有EAST!

  EAST 上W/Cu 偏滤器的技术攻关和批量生产,极大地提升了我国的W/Cu高热负荷部件的设计和制造水平,也为EAST 高参数物理实验提供了物质基础。特别是在2017 年EAST 实验中,利用该W/Cu 偏滤器实现了101.2 秒H 模的放电,打破了长脉冲高参数放电的世界记录。

钨铜偏滤器批量服役

开拓进取—钨铜偏滤器部件制造技术出口法国WEST

  2018年11月,通过国际竞标,中国科学院等离子体所与法国原子能和替代能源委员会(CEA)磁约束核聚变研究所签署了WEST(W environment in Steady-state Tokamak)偏滤器W/Cu部件的采购合同,等离子体所将为WEST装置提供456件W/Cu部件。

  WEST偏滤器W/Cu部件的技术要求极其严格,部分技术要求甚至超过了ITER。合同签署后,研发团队基于EAST偏滤器W/Cu部件的研制和生产等工程经验,立即开展了质量控制体系的建立和技术攻关等工作。为了更好的开展工作,研究团队继续发扬优良传统,克服家庭困难,再次常驻北京,与安泰科技的同事们一起,全心投入到项目中。为了缩短研发周期,为批量生产留出更多的时间,研究团队更是夜以继日,埋头苦干。另一方面研发团队发挥努力进取,敢为人先的精神,通过强化换热设计将W/Cu复合部件的热排出能力提高到20MW/m2,为WEST 制备的平板W/Cu 模块承受住了102 次10MW/m2+102 次15MW/m2 +302 次20MW/m2 的高热负荷辐照,刷新了平板W/Cu 部件高热负荷试验的已知记录。

艰苦攻关,提升技术水平

  WEST偏滤器W/Cu部件比 EAST的验收标准更高,制备工艺更复杂,工序流程更长,为了加快进度和减少工序的等待时间,许多关键工序都进行到深夜,以便第二天顺利开展下一道工序的工作。通过努力拼搏,功夫不负有心人,研究团队逐一攻克了钨铜块之间缝隙尺寸、焊接界面质量、钨块开裂、包套漏气、机加工外形尺寸控制等一系列技术难题,顺利进入批量生产。

  在批量生产期间,严把质量关,对钨铜块之间缝隙尺寸、焊接界面质量、钨机加工外形尺寸等方面的控制更是精益求精,获得法方的好评。正当批量生产进入关键阶段,遇到了新冠疫情,对批量生产进度造成了较大的影响。但是,为了能保质保量地按时完成批量生产工作,研究团队逆行北京,继续深入参加第一线生产工作。目前,批量生产已进入尾声,将在9月底前完成全部发货。

  WEST钨铜部件的研发和生产,不仅提升了团队的技术和管理能力,也凝聚了科学严谨,勇于担当,艰苦奋斗,不断进取的团队精神,同时提高了我国在偏滤器钨铜部件制造领域的国际声誉,意义重大。

出口WEST的偏滤器部件产品

继续奋斗—再次投身EAST下偏滤器W/Cu穿管部件制造任务

  2020年7月,等离子体所启动EAST内部部件的升级改造工作,聚变堆材料及部件研究室偏滤器钨铜部件研发团队领受了所里下达的光荣而艰巨的任务,元旦前完成全部EAST下偏滤器穿管钨铜串的生产。EAST下偏滤器并不是上偏滤器的简单重复,而是根据新位型做出了很多的新设计,也包含了基于上偏滤器使用经验教训的很多改进,其W/Cu部件的生产肯定会遇到新的难题,面临新的挑战。任务可谓艰巨,但是使命是光荣的!

  团队成立七八年,骨干成员已不再年轻,但是大家的初心不改!接到任务,面对困难,同样没有退缩,同样是迎难而上,同样是义无反顾的去驻守北京。

  我们坚信,有此精神,定能按时完成任务,献礼建党百年。

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