从"实验室"迈向"商业化"的关键枢纽装置:BEST

· 聚变装置

5月1日,紧凑型聚变能实验装置—BEST项目的工程总装启动仪式在聚变堆主机关键系统综合研究设施(CARFT)园区举行,整个项目总装较原计划提前两个月启动。本篇文章,我们从装置概况、研究目标、核心参数等五个部分展开叙述。

Section image

一、装置概览

BEST,全称Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak,即燃烧等离子体实验超导托卡马克,有望成为全球首个紧凑型聚变能实验装置,由中国科学院等离子体物理研究所主导设计,聚变新能(安徽)有限公司承建。项目位于合肥未来大科学城。其核心使命是填补“实验堆”至“示范堆”的工程化空白,推动聚变能发电从实验室迈向商业化。

BEST将集成验证高温超导混合磁体中心螺管、水冷全钨壁、屏蔽包层、氚增殖包层、聚变能量提取、遥操作、ITER类型偏滤器、涉氚真空系统、多种加料系统、结合人工智能的集成控制系、破裂预测和防护、等离子体诊断及四种加热方式(中性束、电子回旋、离子回旋和低杂波)等聚变堆单元技术。

Section image

聚变新能(安徽)有限公司,成立于2023年5月,注册资本150亿,是中国首个以核聚变能商业化为核心目标的混合所有制企业,公司定位“国家聚变能技术从实验室走向产业化的核心实施平台”。其诞生标志着中国正式将可控核聚变纳入商业化攻关阶段,目标在20年内实现聚变能全球商业应用。

Section image

公开资料显示,聚变新能由政府、科研机构、央企及社会资本联合组建,依托中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的科研成果,成为该机构磁约束核聚变领域唯一的成果转化平台。聚焦新兴能源技术研发、新材料技术开发、核电设备成套及工程技术服务、发电技术应用等核心领域,致力于整合资本、技术、人才、知识产权等创新要素,充分发挥新型举国体制优势,率先推进聚变能商业化进程。

二、研究目标

按照规划,BEST将会2027年建成,届时有望成为世界首个紧凑型聚变能实验装置,并将在EAST装置的基础上首次演示聚变能发电,引领燃烧等离子物理研究,为中国聚变能的发展做出前瞻性和开创性贡献。

Section image

作为一台紧凑型高场托卡马克,BEST旨在探索燃烧等离子体物理,实现先进稳态等离子体性能(Q>1),并开展高Q聚变运行以及实时氚的产生、提取与循环研究。

另外,凭借长脉冲持续时间(>1000秒)和紧凑尺寸,BEST将具有高中子注量、高能量与粒子密度及通量,为反应堆的一些挑战性问题提供试验平台,包括但不限于:

  • 材料与等离子体-壁相互作用(PWI)物理
  • 实验包层模块(TBM)
  • 氘氚燃烧等离子体的能量与粒子排出

三、核心参数

BEST的主机设计参数:主机直径18m,高19米,总重达到6000吨。

Section image

等离子体尺寸:大半径3.6m,小半径1.1m。

环向磁场:最大6.15T。

等离子体电流:4-7MA。

聚变功率:20-200MW。

拉长比(κ):1.7-1.9

四、建设历程

  • 术奠基(2006–2023):EAST持续运行及装置实现1亿℃等离子体运行,突破稳态高约束模式,为BEST提供物理基础。
  • 设计定型(2021-2024):先后历经五次国际评估,完成装置设计。
  • 工程建设(2023–2027):2023年6月,园区建设奠基;2025年3月,项目首块顶板浇筑完成。2025年5月:主机系统总装启动,杜瓦率先落位。预计2027年7月初,主机大厅封顶。
  • 未来里程碑运行计划(2027–2030):计划2027年建成装置,开展氘氚实验;2030年实现聚变发电演示。

部分供应商

1.合锻智能:始建于1951年,总部位于安徽合肥。合锻智能以高端成形机床和智能分选设备为主业,为客户提供包括液压机、机械压力机、色选机、聚变堆核心零部件,智能化集成控制及新材料等产品和服务。在BEST项目上,合锻智能主要承接核心关键部件—真空室扇区制造任务。按照战略规划,公司将在2025年内实现BEST真空室交付工作。

Section image

2.航天晨光:成立于1999年,总部位于江苏南京。公司前身为中国近代民族工业的摇篮—1865年清朝洋务运动中创建的金陵机器制造局,现为中国航天科工集团有限公司控股的大型综合装备制造企业。在BEST项目上,航天晨光主要承接了关键部件—杜瓦系统和杜瓦波纹管制造任务,预计将在2025年内交付BEST杜瓦底座部件。在聚变领域,航天晨光还曾研制出世界上难度系数最高的ITER杜瓦多层矩形波纹管,还成功研制成功研制D形真空室冷屏样件。

Section image

3.钢研总院:中国钢研科技集团有限公司的核心子企业,是集团科技创新的主体,是我国金属新材料原创技术策源地之一和冶金行业共性关键技术创新基地。在BEST项目上,钢研总院针对超导磁体服役环境(超低温、强磁场)下,金属材料“强/韧/塑性”难以协调及组织稳定性差等关键科学问题,突破了高强韧抗敏化无磁钢合金设计、多元强/韧/塑协同控制机理等关键技术,成功开发具有中国自主知识产权的超低温高强韧无磁不锈钢(CHSN01),并打通了热轧板材、6吨级大锻件、管材(钢锭)全链条生产工艺,保障了工程建设需求。典型产品性能:线圈盒-269℃屈服强度≥1250MPa,断裂韧性≥150MPa∙m1/2。

Section image

4.中油一建:全称中国石油天然气第一建设有限公司,成立于1954年,位于河南洛阳,是中国最早组建的化工、石油专业建设公司,现已发展成为综合性的化工石油建设骨干企业。在BEST项目上,中油一建承担了总装工程,包括主机系统安装的七个任务段、工装设计制造、临时中转仓库建设及仓储管理、临时暖通总承包、装置工程施工总承包管理等任务。

Section image

BEST作为聚变堆的“中试”装置,将会全面检验全超导托卡马克聚变路线的科学和工程可行性。聚变新能也将按照“紧凑型聚变实验装置(BEST)-聚变工程示范堆(CFEDR)-首个商业聚变堆”三步走战略,系统布局实验研究、工程示范及商业化应用的全链条发展路径。

参考资料:

  • http://www.jbxnah.com/info.php?class_id=101
  • http://www.jbxnah.com/info.php?class_id=102101
  • https://conferences.iaea.org/event/385/contributions/35557/contribution.pdf
  • https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab434/info95352.htm