大国重器,东方超环

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7月21日,《科技日报》头版头条刊发“打造原创技术策源地”特别策划——中国钢研:自主研发“人造太阳”关键核心部件


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去年5月,国家重大科技基础设施EAST全超导托卡马克装置(“东方超环”)传来捷报:实现可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,再次创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录。

“东方超环”的偏滤器由中国钢研科技集团有限公司(以下简称中国钢研)所属安泰科技股份有限公司(以下简称安泰科技)研制。法国超导托卡马克装置(WEST)所采用的偏滤器也由我司独家供货,同时我们还是国际热核聚变实验堆(ITER)钨铜偏滤器的关键供应商。

“人造太阳”之称的核聚变实验装置“东方超环”运行条件极其严苛。装置中的偏滤器所扮演的角色就像汽车发动机的排气口,核聚变反应的产物需要通过偏滤器排出去。偏滤器不断承受最为严酷的高温和粒子流的冲击,瞬态高温比火箭喷射的火焰温度还要高。

作为核聚变领域使用条件最为苛刻的部件之一,偏滤器直接承受高温等离子体最严酷的热和粒子流冲击,对材料选择提出了严苛的要求。EAST最初采用的石墨或钨单体材料,只能在低功率试验条件下维持数秒,无法满足高功率长脉冲的工程使用要求,钨铜复合组件成为理想的候选方案。科学家们逐渐把目光投向钨这种最耐高温的金属,并认为钨铜复合组件是核聚变装置偏滤器最理想的选择。

作为最耐高温的金属材料,钨的熔点是3400多摄氏度,在上亿摄氏度高温之下会熔化甚至挥发。用钨包裹着铜,铜的导热性很强,铜管里再使用冷却水迅速把热量带走。这样,钨铜复合材料就能长时间经受高温等离子体的冲击。

如何实现钨铜复合的无缝衔接是关键的技术难点。当初,面对国外技术壁垒,“东方超环”找到了国内在高温难熔金属领域首屈一指的研发生产机构——中国钢研,并提出了研发钨铜偏滤器的需求。

于是安泰科技自2008年起便怀揣着“人造太阳”的梦想开启了钨铜偏滤器研制之路。项目组充分发挥公司在金属材料和金属扩散连接方面的技术、设备和产业化优势,开发出具有自主知识产权的“两步热等静压扩散焊接”金属复合技术,实现了钨铜复合组件高质量异种材料连接,获得优异的界面性能,在国际上首次实现了主动水冷全钨偏滤器产品批量交付和装机使用,通过了ITER组织安排的5000次10MW/m2+300次20MW/m2的高热负荷测试。2021年5月28日,国家重大科技基础设施EAST实现了可重复1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,再次创造托卡马克实验装置世界新纪录,安泰科技独家供应的EAST上/下偏滤器钨铜复合部件为中国“人造太阳”和“中国聚变梦”作出了重要贡献,彰显了公司在金属复合材料开发方面的硬核实力和使命担当。


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十年磨一剑,出鞘必锋芒。搭乘“东方超环”等国家大科学工程,安泰科技金属复合材料技术不断创新突破,已跻身世界领先水平。除了为ITER、EAST和WEST核聚变装置提供偏滤器关键组件,钨铜复合组件还广泛应用于大型国产化医疗装备、雷达用关键零部件。项目开发的异种材料连接技术应用于第三代核电AP1000主泵推力盘、国家大科学工程散裂中子源核心部件靶体插件、液体发动机推力室异质材料连接、电子用铜铝冷区盘以及冶金用复合轧辊等,满足了核电、航空航天、石油等领域国家关键装备和重大科学工程的需要,这项硬核技术正在持续发挥服务国家战略的硬核作用。

 


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