十年攻坚!西物院ITER朗缪尔探针跻身全球顶尖诊断系统,中国方案通过最终设计评审

· 技术突破

11月6日,由核工业西南物理研究院(以下简称“西物院”)自主研发的国际热核聚变实验堆(ITER)朗缪尔探针(DLP)系统,在法国ITER组织总部通过最终设计评审。该成果标志着中国在ITER计划关键诊断系统研制中取得重要突破,为后续制造交付奠定基础。

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一、朗缪尔探针:ITER的“等离子体温度计”

朗缪尔探针系统得名于其发明者——诺贝尔化学奖得主欧文·朗缪尔,他在20世纪20年代开创性地将这种电极探针应用于等离子体诊断。

其核心技术在于向插入等离子体的探针施加扫描电压,通过精密测量电流-电压特性曲线来解析等离子体参数。该曲线包含三个特征区:离子饱和区、过渡区和电子饱和区,通过分析过渡区斜率可精确计算

电子温度,而饱和电流值则直接反映等离子体密度。这套方法因其能够直接、原位测量等离子体核心参数,已成为托卡马克装置偏滤器区域诊断不可或缺的技术,在从实验室研究到ITER等大型聚变装置中发挥着关键作用。

本次评审的朗缪尔探针系统是ITER装置偏滤器上的核心诊断部件

偏滤器如同“人造太阳”的“净化器”,负责排出聚变反应产生的氦灰和杂质,并管理巨大的热量。朗缪尔探针正是在这里,直接面对上亿摄氏度的等离子体,承担实时监测的终极任务,其获取的数据是调控反应、保障安全的核心依据。

  • 工作环境极端:

    需在高达 20 MW/m² 的热负荷下稳定工作,相当于太阳辐射强度的数千倍。

  • 安装位置:

    中国承担的朗缪尔探针将安装于ITER装置的2号、10号、14号扇段偏滤器位置,全部由西物院独立完成。

二、十年攻坚:从初步设计到性能突破

西物院与ITER朗缪尔探针的缘分始于2015年的初步设计合同。研发之路并非一帆风顺,在接下来的七年中,团队持续推进技术攻关:

2019年,团队完成全钨探针评审,解决了材料耐高温的核心难题。

2021年6月,初步设计评审会提出20条专家意见,其中关键(一类)专家意见仅1个。

2022年1月,项目组用6个月时间高效攻关,正式通过初步设计评审,成为我国ITER采购包中完成初步设计评审关闭的项目。

此后,团队依据ITER装置的动态需求,完成了四版产品的设计迭代。在科技部中国国际核聚变能源计划执行中心指导下,西物院联合厦门钨业股份有限公司协同攻关,于2024年成功完成探针5000次10MW/m²稳态测试和300次20MW/m²极端热循环测试,突破了当前聚变堆用朗缪尔探针的热负荷承受纪录,证明了其卓越的可靠性。

这一系列成果为2025年实现全球最耐受极端环境的探针系统交付目标奠定了坚实基础。评审会上,西物院团队创新提出的独特结构全钨探针高集成度四象限探针电源一体机设计,获得了ITER组织专家的高度评价,认为设计方案科学合理,这种创新结构成功解决了朗缪尔探针最核心的热负荷承受能力问题,满足了ITER装置的极端工作要求。

三、下一步计划

下一步,研究团队将认真吸纳评审专家的意见建议,对设计方案进行进一步优化完善和测试,并全力推进DLP项目其余工作内容最终设计评审的准备工作,确保高质量完成项目任务,在国际舞台上贡献更多中国智慧。

、西物院承担的ITER其他项目

西物院坚决贯彻落实国家战略部署,以高度的政治责任感和历史使命感,深度参与ITER计划,承担了中方18个ITER关键部件研制任务中的9项,覆盖全部涉核核心部件。其中包括:增强热负荷第一壁,包层系统,气体注入系统,辉光放电清洗系统等,从关键部件制造到核心诊断系统研发,西物院在ITER计划中的深度参与,见证并推动着中国核聚变研究事业从“跟跑”到“并跑”的深刻转变,正稳步迈向世界聚变能源研究的最前沿。

参考链接:

  • https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3Nzg4MjI1Mg==&mid=2660712466&idx=1&sn=030a6f6d1ce44d9afc2b9184d2450cbc&chksm=85f9ab9b5e1c1b5b70a04c914fa0d2ef397b9c7e0da9bf72a595e2b1bdcb5615b52de180e9aa#rd