聚变能是在两个原子核融合在一起时产生的。根据爱因斯坦著名的公式E = mc2,两个原始原子核和所产生的聚变核之间的质量差异被释放为能量。这涉及到难以想象的大量能量:将一克氘氚混合物转化为氦,将产生约100兆瓦时的热能。相比之下,如果要从硬煤中产生这一数量的能量,你将不得不燃烧超过12吨的煤!这就是所谓的氢气。更妙的是,所需数量的氢气在地球上几乎取之不尽,而且核聚变的残留物在化学上完全无害,不像燃烧化石燃料时产生的有害环境的温室气体。因此,难怪一个多世纪以来,研究人员一直梦想着开发这种神奇的能源。
在法国南部的一个小村庄Cadarache,这个梦想似乎已经触手可及。这里是ITER项目的所在地,这是一个由35个工业化国家组成的研究合作项目,其雄心勃勃的目标是通过受控核聚变产生能量。为此,目前正在建造一个实验性托卡马克核聚变反应堆,以测试从2025年开始永久使用核聚变能源的可能性。在反应堆中,核聚变是在氘-氚等离子体的帮助下产生的,该等离子体被极强的磁场聚焦,然后进行融合。听起来很简单,但在实践中,它是非常复杂的。例如,等离子体中的温度必须达到1.5亿摄氏度(比太阳核心的温度高10倍),核聚变才能开始。反应堆还必须在超高真空条件下被密封。
这就是瑞士阀门专业公司VAT的作用,它是高性能真空阀的世界市场领导者,也是过去几年中ITER的独家开发伙伴。为ITER项目开发了高度专业化的阀门,以抵御托卡马克反应堆周围的极端温度和辐射条件。这使得ITER的开发者和他们的外部合作伙伴能够方便地从ITER指定的目录中选择开发特定模块所需的所有阀门--在完全兼容和最高安全水平的知识中获得安全。
大多数ITER阀门是全金属阀门,使用特殊的金属对金属密封(VATRING),而不是弹性体。在他们的气动阀门执行器中,也使用了特殊的O型环,它比传统的弹性体密封更耐辐射。VAT急切地想知道这些阀门在如此极端的条件下长期使用时将如何证明自己。VAT公司负责全金属阀门的产品经理Phil Schneider解释说:"对于VAT公司的团队来说,ITER的开发具有非常重要的意义,因为我们必须测试技术上可行的极限,"。ITER的合作已经为VAT的瑞士阀门专业人员提供了无数与阀门开发有关的宝贵见解。
![](https://vatvalve.vatstatic.com/uploads/editor/images/shared/s6kk-Absolute_Valve_ ITER_test_rig.jpg)
在ITER反应堆中,两个非常强大的中性束喷射器被用来将等离子体加热到聚变温度。第三台中性束注入器用于诊断等离子体。每个喷射器形成一个真空室,在发生故障(如火灾、地震、压力上升或冷却剂泄漏)时,必须能够独立于托卡马克进行排放。在寻找适合这些目的的阀门解决方案时,人们的注意力很快集中在创新的VATRING技术上--这是一项由VAT开发的全金属阀门密封技术,用于在UHV条件下重复密封。起初,人们对这项技术是否能够扩大到ITER的要求有所怀疑,但这自然激发了VAT研发人员的雄心壮志:作为可行性研究的一部分,他们开发了绝对阀DN1600,它不仅符合ITER的所有规格,而且,其开口直径为1.6米,也是迄今为止开发的最大的全金属阀门!
带有银色涂层的不锈钢密封件被安装在阀门中,确保高真空密封性,在整个阀盘上的压力梯度为0.2兆帕/2巴,同时泄漏率低于10-7毫巴升/秒。这个宏伟的阀门密封的测试原型现在在ITER建筑工地附近的一座山上有一个荣誉之地,是该工地所有访客的一个热门景点。
2022年2月,欧洲核聚变项目JET(ITER的直接前身项目)的研究人员报告说,他们成功地用氘氚等离子体产生了59兆焦耳的能量,几乎是1997年早期能量记录的四倍,这再次证明了ITER反应堆的惊人潜力。诚然,JET聚变反应堆的输出仍然远远低于所谓的盈亏平衡点,在这个点上,核聚变产生的能量比加热等离子体所需的能量要多。但这种高能核聚变等离子体的产生,稳定时间超过数秒,被认为是对ITER核聚变反应堆的一个重要测试--该反应堆有望首次跨越收支平衡点。由于JET和ITER反应堆都依赖于氘氚混合物作为等离子体,研究人员可以从这个破纪录的实验中得出关于最佳等离子体参数的重要结论,以便随后在ITER反应堆中实施能量更高的聚变等离子体实验。