热负荷比国际同类装置提高3倍 产生直接经济效益17243万元 记者探访一等奖获奖项目多功能直线等离子体装置

四川大学先进核能实验室外景

四川大学等单位研制的多功能直线等离子体装置

作为四川省科技创新实力的代表，2019年度四川省科学技术奖获奖项目如何改变人们的生产生活？昨日，记者对此次获奖项目中聚变领域唯一一个一等奖——由四川大学等单位完成的多功能直线等离子体装置研制及应用项目进行实地探访。该项目成功研制了多功能直线等离子体装置，为偏滤器材料研究提供大面积高密度等离子体和高热负荷的极端实验条件，推动了我国在偏滤器服役环境模拟平台领域从无到有的跨越式发展，是目前国际聚变领域参数最高、功能最完备的偏滤器综合性研究平台。据悉，该多功能直线等离子体装置热负荷比国际同类装置提高了3倍，已产生直接经济效益达到17243万元。

先进在哪？

等效模拟验证

国际聚变领域参数最高、功能最完备

人类从未停止过对更高效更清洁能源的探索，其中核聚变能被认为是终极选择之一。“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。而偏滤器是聚变堆装置的核心部件之一，具有排热、除杂的作用。

“偏滤器处于高密度等离子体、高热负荷、高中子通量的极端环境，因此偏滤器材料/部件在极端环境下长服役寿命的安全运行，成为聚变堆设计和建造的主要技术挑战之一。”四川大学原子核科学技术研究所芶富均教授介绍。

如何获得适合的偏滤器材料/部件？由于托卡马克装置运行成本高，因此亟需建设等效模拟验证平台——直线等离子体装置，模拟聚变堆环境，研究在极端服役环境下偏滤器材料/部件服役行为，建立相关数据库，这对于指导布局设计与制造、建立服役寿命的评估准则、降低建设风险都具有重要意义。

国际上现有模拟平台参数低、性能单一，不能满足中国聚变工程实验堆偏滤器测试验证的需求。芶富均教授自荷兰基础能源研究所从事多年研究工作回国后，在四川大学组建了先进核能实验室，一直致力于研究直线等离子体装置，为偏滤器材料/部件研究提供大面积高密度等离子体和高热负荷的极端实验环境。

该平台自2010年开始创建，不断创新突破，将直线装置的等离子通量从1019/m2s量级逐步提高到1025/m2s量级，为目前国际聚变领域参数最高、功能最完备的偏滤器综合性研究平台，为我国自主开展聚变堆核心材料/部件研发、热与粒子排除等关键问题研究提供了强大的技术支撑。

特点在哪？

体积小、能量大

等离子体通量达到1025/m2s量级

走进四川大学原子核科学技术研究所，一个1.2米长的蓝色圆柱体映入眼帘，体积小却蕴藏着大能量，这就是多功能直线等离子体装置。该装置包括核心部件——等离子体源，负责离化气体，产生高密度等离子体环境以及可以提供真空环境的腔室，等离子体就在真空环境里产生；在真空腔室外面，蓝色的磁场屏蔽层内为磁场线圈，即高电流线圈，通电的时候，可以提供轴向的磁场，将产生的等离子体约束在特定的环境里。

如何模拟聚变堆偏滤器等离子体环境？聚变堆环境很复杂、能量很高，能量怎么来呢？芶富均研究团队介绍，“主要是来自等离子体、热负荷和中子。由于中子基本上可以穿透我们熟知的很多东西，包括钢铁和水泥等，并可以诱发元素嬗变，产生大量放射性物质，十分危险。所以实验室仅针对等离子体、热负荷，研制了高密度等离子体和高热负荷耦合的聚变环境等效模拟平台，即多功能直线等离子体装置。”

记者了解到，多功能直线等离子体装置通过结构改进、位型优化、材料改进、射流冷却等，突破了高密度、长寿命等离子体源技术，实现了聚变堆高密度等离子体服役环境模拟，等离子体通量达到1025/m2s量级；研制了大面积高密度等离子体源阵列，满足了偏滤器部件的辐照环境模拟；通过发展等离子体源欧姆加热和多级源耦合技术，热负荷比国际同类装置提高了3倍。同时，提出了同时具备高密度与高热负荷的等离子体运行模式。

应用在哪？

为20多家单位提供服务平台

在太阳能电池领域有非常广的应用

“等离子体均匀性好、密度大，实验室还将其应用推广以发挥经济社会生态效益。”实验室研究团队介绍，该项目研发的等离子体源技术被应用于加速器驱动临界洁净核能系统中超导腔等离子体清洗研究和超导膜铌的等离子体增强化学气相沉积。同时，为核工业西南物理研究院、中国科学院大学、清华大学、西南交通大学等20多家高校、研究院所、企业单位提供服务平台。

“在太阳能电池领域，也有着非常广的应用。”上述负责人介绍，现在的大量电池都是用PECVD法沉积的，由于四川大学等单位完成的多功能直线等离子体装置密度很高、均匀性好，能够提高电池的等离子体离化效率，可以让电池沉积薄膜的时间更短，薄膜更均匀，从而提高工艺参数，近三年已为比亚迪公司等应用单位新增销售额达16068万元。同时，在医疗方面，实验室与华西医院等单位合作，让等离子体在医疗领域方面发挥作用。

据统计，该实验室等离子体源和直线装置产生直接经济效益达到17243万元。为持续推动科技成果走向“生产线”，该平台相关研究已获得上海宏澎能源科技有限公司的关注，并在未来进行相关成果的产业转化。

采访时，记者注意到，实验室还有一台更大的直线装置。实验室负责人介绍，这是一个2.0版多功能直线等离子体装置。该装置是实验室与加拿大研究机构和上海宏澎能源科技有限公司合作的项目，将直线装置的发展领域延伸到磁惯性约束聚变的研究。

“国际上现在最主流的聚变方法是磁聚变和惯性聚变，我们在2.0版多功能直线等离子体装置上正在进行一种磁惯性约束聚变方法的探索，这是一种结合二者优势的新的聚变方法。”上海宏澎能源科技有限公司相关负责人介绍，与传统方法相比，磁惯性约束聚变需要较少的储存能量和加热功率即可达到聚变点火条件，对聚变能发展具有变革潜力。

本报记者 宋妍妍 摄影 马丁

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