核聚变工厂:组装Iter，有史以来最复杂的机器

组装世界上最大的核聚变实验现在是一个工程问题。但正如斯图尔特·内森（Stuart Nathan）所解释的，这可能是有史以来最令人畏惧的挑战。

我上一次访问国际热核聚变实验堆（Iter）的地点是三年前。Iter是一个国际项目，旨在开发和建造世界上有史以来最大的核聚变反应堆，也是未来核聚变电站的动力装置模型。当时，现场可看到的相对较少，因为支撑熔合机巨大重量的基础仍在施工中，混凝土尚未浇筑。现在的情况大不相同。

Iter“聚变机”的理论和设计方面——在该组织内部被称为“聚变机”——基本上已经敲定，其组件的建造合同在其成员国之间外包。剩下的任务是将1000万个部件组装在一起，这基本上是一项机械、电气和工艺工程方案;但这是一个多么棒的计划啊。

它将是有史以来最复杂的机器——在过去的几十年里，波音747、阿波罗指令舱、美国核导弹潜艇和大型强子对撞机都曾获得过这个荣誉。由于仪器仪表的水平和遵守现有核法规的需要，Iter目前被认为可能是有史以来建造的最复杂的聚变反应堆。

几周前，我们回到了马赛附近的Cadarache，乍一看，进展是显而易见的。

地上建筑物

灼热、阳光普照的景观依然如旧，但在此之前，Iter遗址所在的人造岩石高原上只有几座建筑的骨架，而现在整个建筑群已明显成形。

最明显的进步是在tokomak复杂。形成T形，与礼堂的南部和仍然未建诊断建设和氚工厂侧翼tokomak大厅本身的东部和西部，礼堂是完整的，现在的广场tokomak大厅的墙壁都在上涨上述坑所在的机器会坐，降地下两层。在未来的几个月大厅将完全包围一蹲圆形的混凝土塔从坑地面升起，矩形和椭圆形的孔刺穿。让人想起中世纪的防御工事，这是一个将保持Iter项目的运营商从致命中子通量的聚变反应会在操作生产安全的bioshield。

地板、大厅墙壁和生物屏障的混凝土上定期镶嵌矩形钢板，熔合机将焊接在其上，以将其安全固定到位，符合法国核法规。

更多的混凝土支撑结构从生物防护罩辐射到设备将占据的空间，这些设备将加热被强大的磁铁限制在托科马克环形真空室中的氢等离子体;北部将有射频发生器，它将发射微波能量，以及通过向等离子体中吹入冰冻氢气颗粒来补充等离子体的设备;和南——挤在tokomak本身和礼堂,然后是多余的(根据诙谐的员工,舞会的位置),将中性束喷油器,巨大的设备,加快梁的氢,呈现电中性然后扔到等离子体下面的(这些)。

保持凉爽;的cryoplant

地点附近的冷冻设备将供应和管理液氦，液氦是将托科马克磁铁冷却到接近绝对零度(精确温度为-269°C)的关键成分，使超导线圈保持零电阻状态。这使得维持巨大的磁场成为可能，既使等离子体受到紧密挤压，又使其组成粒子(重氢同位素氘和氚的原子核)加速到极高的速度(对应于150×10的温度)⁶°C，比太阳中心温度高10倍)。

温度和约束是迫使这些带相同正电荷的粒子克服静电斥力，并以足够的动量相互碰撞，使它们融合成氦核，释放出氦核所需的能量的两个最关键的条件存在的理由项目的．

这座世界上最大的冷冻厂包括三台相同的冰箱，将液化约25吨氦气，以供应磁铁和真空泵。这些制冷装置的液化率为每小时1230升，由18台压缩机供给。另一个包含两个机组的制冷装置将从空气中产生液氮，它将作为氦装置的预冷器，并将冷却托卡马克的隔热板，从而减少超导冷却系统的负荷。

线圈和低温恒温器;现场生产

也许对游客来说，最令人兴奋的是两座正在制造真实组件的建筑。在其中一个项目中，来自印度工程集团Larsen & Toubro的承包商正在将巨大的钢铁部件焊接到托科马克低温恒温器中。

这将是迄今为止建造的最大的真空容器，宽30米，高30米，总重3850吨，包围了16000米的体积^3.．它将保持隔热罩，也将保持内部的压力在10^-4Pa。印度对Iter项目最大的贡献是，低温恒温器组件将是安装在托科马克坑的聚变机组装的第一个和最后一个部件。

低温恒温器的安装将是一个交错过程，其装配也是如此。不锈钢的各部分被焊接在一起，形成四个非常大的部件。首先要安装的是底座，底座下部的板是完整的，形状像一个宽而平的盘子，有一个上翻的边缘。在这上面是基座，一个浅圆柱体，顶部有一个平的边缘;托科马克本身和低温恒温器的其余部分的25000吨的总重量将直接承载在这个组件上。

低温恒温器中最厚的金属是底座——200mm——现在正在进行最终焊接，并直接在底板上方完成，在整个底座组件被提升到坑内之前，将在底板上进行焊接。底座是熔合机最重的单个组件，重达1250吨。

在基部将坐在两个圆柱层与28米的内径的顶部。两个层具有孔匹配的那些bioshields，这将通过防漏波纹管连接到仪器和设备。上的这些越低，所述第一焊接传递到片一起完成链接;第二焊道将完成接头以确保密封性。上层的部分，目前从印度抵达。最终部件，盖子，将最后进行组装，也可以把熔接机的最后一块到位。

离低温恒温器大厅不远的地方有一处设施，我上次去的时候，那里空洞得吓人。这里，Iter的极向磁场线圈正在被缠绕。Iter将有三组磁铁:中央螺线管，一个位于环面中间的柱子，对于驱动等离子体周围的电流非常重要。

环形线圈，占据了地球上经线的位置，是挤压等离子体的主要方法;占据纬度线的极向线圈将有助于稳定和塑造等离子体。六极向线圈是最大和最重的组件的装配,除了顶部和底部线圈太大被网站从外部制造商,所以四个线圈,直径24和17米,伤口必须现场只有他们的组成部分-一种由超导铌钛合金束组成的电缆，捆绑并包装在笨重的不锈钢管道中，液氦冷却剂将通过这些管道循环。

虽然钢索有几毫米厚，但到达现场时，这些钢索缠绕在20吨重的巨大卷轴上;然后，它被艰难地解开，清洗，拉直，强迫成一个更平缓的曲线，形成极向线圈的平箍。

像许多将形成Iter的操作一样，这是一个连续的过程。线圈将不是单独部署，而是在缠绕包，每个包组成多个“双煎饼”的两个相同的线圈;构建这些包是很复杂的。

当卷绕时，卷绕在玻璃纤维绝缘胶带中，卷绕速度和张力被仔细控制。完成的双层煎饼，其中最大的重达37吨，然后用磁铁组装大楼的吊车将其吊入模具中，在模具中注入环氧树脂加压。

双煎饼在每个磁体包的数量由位置决定的，从机器磁体包的底部。1，3，4和5具有八个双煎饼，而包2具有六个和组6有九个。

为了形成包装，必须将实心双煎饼堆叠在一起，进行额外的真空树脂浸渍步骤，并添加额外的组件，如夹具、保护盖和液体进出管。

现场磁体生产的进展现在已经到了可以开始第一个真空浸渍过程的阶段。在现场之外，位于圣彼得堡的Srednenevsky造船工厂的1号封装(最小和最上层的极向线圈)现在已经完成了一半的生产，第五个双层饼正在缠绕，前两个已经完成了真空浸渍。在写这篇文章的时候，第三个双饼正在被浸渍．

把它在一起;大会日程安排

最终完成聚变机的建造顺序现在已经清楚，但不会很快。首先，必须完成托科马克大楼本身的剩余施工，以便将大厅内起重机的轨道延伸至托科马克坑上方。预计2018年底完工。然后拆除装配大厅和托卡马克大厅之间的墙壁（目前高耸于托卡马克坑之上，装饰着一张巨大的海报，上面展示了聚变机的剖面图），并安装中性束设备。然后，将在2019年初将低温恒温器底座降低到位，随后将安装前两个极向场线圈。

然后就可以开始组装托卡马克真空容器了。组装过程这一部分的第一阶段已经在大会堂开始。大厅的地板正在为两个真空容器分区组装工具的到来做准备，这两个工具由韩国大京重工业公司建造。工具的地面支撑部件现在已灌浆到位，工具部件本身也已到达卡达拉什。

这些工具本身将是巨大的组件，22米高，800吨重，有两个铰链液压“翅膀”，可以打开到20米宽。每个工具的作用是悬挂环形真空容器的40°切片(在意大利有7个正在锻造;另外两个在韩国)在一个精确的位置，而机翼将悬挂两个环形场线圈和热屏蔽组件，滑动他们周围的真空容器扇区的外部，他们将固定的位置，以及相关的热屏蔽。

组装这些扇区是一项要求极高精度的任务，组装工具将配备大量传感器，以测量组件在吊装、操纵和焊接到位时的相对位置。这将需要两个会场的高架起重机协同工作，以提升和移动组装的各个部分，每个部分将重达1200吨。

一旦托科马克的9个扇区(每个扇区都是真空容器/环形磁场线圈/热屏蔽组件)就位并焊接在一起，其余的4个极向线圈将被提升到合适的位置，然后是低温恒温器的上下两层。美国制造的中央螺线管随后将用起重机吊入并安装(tokomak和会议厅的天花板是熔合机的两倍高，以便为运行真空容器的整个高度的该部件留出空间)。然后是最后一个组件，低温恒温箱盖的安装时间。

在-容器组件可以开始，用手和由机器人设备的阵列中进行，在安装设备把tokomak在其初始构型为第一等离子在2025年。

一旦第一等离子体运动完成后，tokomak内部的结构将被改变，并且安装另外的设备，包括转向器（水冷式结构，的潮湿的，钛制成，在圆环面的基座，其中，等离子体接触墙壁和其大部分能量被消耗），准备用于氘 - 氚等离子体操作，其中实际的融合会发生，从2035年这也将包括测试的增殖包层模块，其中中子与锂原子之间的碰撞会产生氚。商业融合的植物，如果可行的话，将需要生成自己的氚;它是放射性的，目前在专业核反应堆只产生少量

通电：中性束注入器

为了产生一个燃烧等离子体 - 等离子体必须加热 - 自支撑核聚变的在真空室中，其中以前从未实现内部循环的带电粒子的热汤的状态。这样做有三种方式。第一种方法是诱导等离子体，其通过使用所述磁体系统（主要是中央螺线管）来实现围绕的电流;和两个外部方法：微波 - 或射频 - 加热，其中将Iter项目使用两种类型;和中性束注入。

中性束是带电的中性氢原子喷射而成，它们以高速加速进入等离子体，在等离子体中，它们通过与等离子体的粒子碰撞而放弃它们的能量。它们必须是不带电的，否则它们会因磁场而偏离等离子体。但要加速,他们必须被起诉,所以中性束喷油器工作剥离电子远离氢原子,用线性加速磁场高速度,他们穿过一个毒气室,他们重拾失去的电子没有失去动力,然后发送到tokomak。

这是一项经过验证的技术，包括英国的欧洲联合环面反应堆在内的大多数tokomak反应堆都在使用它，但Iter的系统必须比以前的任何喷射器加速三到四个计时器，才能让原子深入等离子体中发挥作用。正离子移动得越快，就越难中和;因此Iter将使用喷射器来制造和加速带负电荷的离子——这是首次使用这种方法。负离子的氢离子比正离子更不稳定，因此更容易中和，但更难处理。

Iter将有三个喷射器；两个用于加热，一个用于诊断。两个加热喷射器中的每一个都能以1MeV的能量以长达一小时的脉冲形式提供16.5MW的功率。该硬件正在意大利一家名为PRIMA的工厂进行开发，该工厂拥有两个试验台：用于开发和表征负离子源的SPIDER和注入器的全尺寸原型MITICA。欧洲、日本和印度都在为这一努力做出贡献，而日本向MITICA提供的最后一批部件——部分电源——已于11月交付。

PRIMA提供了对Iter做出贡献的公司规模的一个例子。设在博洛尼亚的电力设备专家OCEM更经常参与提供机场照明，目前正在开发和提供SPIDER供电部件。“我们是一家中小企业，但Iter让我们有了雄心壮志，”OCEM电力部门总经理Guiseppe Taddia说。“它帮助我们提高了项目和合同管理方面的技术技能，并帮助我们激励员工。”

在工业领域的另一端，西门子(Siemens)和日立(Hitachi)正在合作开发一种用于喷油器的超高压甲板和套管。它的直流电压为1MV，重达100吨，并需要抗震资质，远远超过了工业上使用的任何设备。

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