聚变基础:支持Iter的民间挑战

法国南部离马赛不远的Cadarache是Iter的所在地，Iter是建造和运行世界上最大的核聚变反应堆的国际实验，目的是测试核聚变是否能成为一种实用的发电方法;场地是一个阳光明媚的高原，被森林环绕，远处的阿尔卑斯山蓝白相间，闪闪发光。

这片土地似乎干涸了;场地已经被夷平，露出了裸露的砂岩基岩，(到目前为止)相对较少的建筑在米色的地面上显得非常显眼。

乍一看，没什么可看的。活动的主要焦点是容纳聚变机器本身的综合体。Iter——最初是国际热核实验反应堆的首字母缩略词——是一种托科马克装置，通过将等离子体限制在一个环形容器中，并在加热的同时用强大的磁场挤压它，从而触发等离子体中的聚变。等离子体是由两种不同类型的氢混合而成的带电亚原子粒子的气体混合物。它将是世界上最大的托托马克，内部半径6米，宽约19米，高约11米，总容积为1400立方米;将限制等离子体并迫使其在环体内旋转的电磁铁将是超导的，由液氦冷却到比绝对零度高几度，从而消除了不断向它们提供电流的需要。

这种被称为磁约束的核聚变系统，并不是唯一已知的方法，但它已经在世界各地的许多地方发展了半个多世纪;Iter的管理人员坚持认为，它最有可能在最短的时间内实现商业核聚变。其他的方法是利用强大的激光或电场产生的力来控制氘和氚的等离子体，氘和氚是氢的同位素，原子核中分别有一个和两个中子，它们融合在一起形成氦并释放能量。

目前，建筑工地是土木工程师的地盘，他们在一个30米深的岩洞里工作，以建造托卡马克建筑群的基础。一旦完成，这将是一个密集的设备和设施的纠结，所以这是一个难得的机会，看到建筑的骨架成形。

托卡马克建筑群实际上是四个主要建筑共用一个单一的整体结构。中心是托卡马克大楼本身，机器将被安置在那里;西边是诊断大楼，机器的运行将被监督，东边是氚厂，机器燃料中的放射性成分将被处理和处理。南面是装配大厅，在项目的施工阶段，机器的部件将被组装在一起，然后被提升到托卡马克坑。但主要的焦点是托卡马克坑本身的基础。

这台巨大的机器，重量与一架装满燃料的波音747大致相当，坐落在1.5米厚的混凝土底座上。在它的顶部有493根柱子，上面有防震垫:钢和橡胶的交替层，其顶层可以横向移动10厘米;在地震的情况下，它们会吸收任何地面运动。

在这些柱子的顶部是B2底座——托卡马克本身就放在上面的混凝土地板。该建筑目前正在建设中，从俯瞰现场的角度可以看到。基底将不得不应付核聚变机传递的力;不仅仅是它的重量，还有等离子体运动的电磁效应以及它与托卡马克的三组大质量电磁铁的相互作用所产生的力(一组在环面中间，另一组环绕外周长，第三组垂直于外周长，从外壁越过顶部，从中间向下，再回到下面)。这需要一些沉重的土木工程。

像大多数大型结构一样，B2席是由钢筋混凝土制成的。这将被浇筑在一个木制的前甲板上，该甲板由木材细木工森林支撑，填充了493根抗震柱周围和之间的空间。最上面是一个令人眼花缭乱的复杂的钢筋蜘蛛网——40毫米厚的带肋钢筋以精确的模式放置，与作用在板上的力相对应。Laurent Patisson是一位地震建筑专家，他负责Iter场地的“核建筑”(属于法国核监管机构的管辖范围)，他解释说，这种形式遵循了它上面的布局。

帕蒂森在法国核电领域拥有丰富的经验;他曾在CEA工作，这是一个毗邻卡达拉奇基地的核研究机构。他还参与了现场的地震调查，以确定地震风险。他在提供Iter的欧洲公司Fusion Energy工作，该公司正在将西班牙土木工程公司Ferrovial和英国阿特金斯公司(Atkins)分包给该公司，后者正在协助进行项目管理。

“托卡马克大楼的外墙是方形的，厚1.5米，”帕蒂森告诉《工程师》杂志。“然后在里面，你有另一个混凝土墙，围绕托卡马克本身;这被称为生物防护墙，因为它保护工作人员免受中子辐射，核聚变和氚的放射性。生物防护罩扩展了通往设备和维护机器的通道;我们把这些叫做舷窗。”

这种圆形结构和托卡马克的电磁力是径向的，其影响范围从机器延伸到30米半径，这意味着地基加固的一个组成部分也必须是径向的，因此地基结构中钢筋的同心圆。但由于建筑本身是方形的，这也是一个非常沉重的建筑，它需要由正交加固来支撑，因此网格图案覆盖并穿过圆形层。帕蒂森说，我们在一些地区铺设了多达26层钢筋。40毫米厚的钢筋是基础设施混凝土的标准厚度，比如桥梁，但在垫子的顶部，我们将建造一些径向墙，这是托卡马克支撑结构的一部分，它们将有50毫米的加固。这一点都不常见。”

托卡马克建筑将包含约16,000吨钢筋，其中基底占很大一部分。一些用来浇筑混凝土垫的缝隙宽度小于25毫米。Iter有自己的混凝土配料厂，在那里成千上万吨的材料正在混合。“95%以上是传统的混凝土，骨料——实际上是我们挖坑时挖出来的基岩——与水泥和填料混合在一起。”我们更喜欢把它用于核设施，因为我们很了解它，尽管它必须通过监管机构的认证。流动性是一个最重要的参数，因为它必须在没有空洞或气泡的情况下流入非常密集的钢筋结构。“水泥成分的配方是为了尽量减少固化过程中的加热，防止钢筋的膨胀和收缩，振动设备将用于帮助混凝土在浇筑时融入空间。”

B2区大约有一个足球场那么大，分为15个区域，每个区域将被单独浇灌。帕蒂森说:“每一个都需要一天的时间来浇灌，应该在10-15天内定型，但在某些情况下，我们要等上28天才能浇灌相邻的区域。”各区段之间将进行灌浆，以确保密封性。

总共需要大约三个月的时间来浇灌整个地下室。帕蒂森坚持认为，这都是传统的民用技术，尽管复杂性要高得多。他说，我相信这是有史以来最复杂的钢筋混凝土垫。

一旦凝固，混凝土的完整性就不会被破坏，因此不能钻孔来锚定托卡马克设备。取而代之的是，钢板——大部分是碳钢，但也有一些是不锈钢——将被直接嵌入未干的混凝土中，设备将被焊接在钢板上。嵌入板也将用于建筑物的墙壁。帕蒂森说:“它是钢筋混凝土结构，所以从这个意义上说，它很简单。”“但负荷非常大，而且不明显。我们正在为以前从未做过的事情设定标准。