10月7日，为期一周的第二届国际科学艺术周在合肥圆满落下帷幕。本届艺术周以“来合肥 追光吧”为主题，向公众开放了全超导托卡马克、稳态强磁场、聚变堆园区等一系列大科学装置，让参观者得以近距离领略科技前沿的无限奥秘，深切感受科技创新的磅礴力量与非凡魅力。值得一提的是，由我院机电系AMI团队与合肥中科院等离子体物理研究所（简称等离子所）联合研制的重量级“华科造”装备——世界首台面向磁约束核聚变堆真空室维护的串联型重载机械臂实物验证样机，也在本届艺术周上精彩亮相，吸引了无数关注的目光。遥操作重载机械臂是聚变堆正常运行维护的必需装置，负责内部清扫、大型零件更换等维护任务，重载臂长10米，末端负载2.5吨，此重载机械臂及其核心部件为国内首创、世界首台。这一突破性科技成果，不仅彰显了我国在核聚变工程技术领域的领先实力，更为推动“双碳”目标的实现及构建清洁低碳、安全无限的能源体系奠定了坚实基础。
图1 “华科造“聚变堆维护串联型重载机械臂实物样机亮相本届国际科学艺术周
作为新质生产力的重要一环，可控核聚变是一种颠覆性的能源技术，被视为人类能源的“终极答案”。作为我国核能发展战略的“三部曲”（压水堆-快堆-聚变堆）的最后一步，聚变堆的研发与建设对于推动全球能源革命具有重大意义。目前，我国在核聚变领域的研究已走在世界前列，特别是在物理实验研究和聚变工程设计方面取得了显著成就。为加速聚变工程的商业化进程，在吸收消化设计基础上，我国于2017年自主设计了中国聚变工程实验堆CFETR（Chinese Fusion Engineering Testing Reactor），开展我国聚变工程实验堆的集成设计及其关键技术的研发，旨在全面掌握下一代聚变堆的设计与建造技术。为保障CFETR在2035年前顺利建成，合肥中科院等离子所于“十三五”期间牵头研发了聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT），旨在构建国际核聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究及测试平台，用于支持超导磁体、聚变堆真空室、遥操作系统等核心技术攻关和关键设备研发。
图2 中国聚变工程试验堆（CFETR）总体集成工程设计
由于聚变装置运行过程中需承受极端的高热负荷、强电磁场、粉尘侵蚀和中子辐照等极端工况，且聚变堆的稳定运行时间必须超过停机时间的50%。因此，研发一套精准、高效且高度自动化的远程遥操作（RH）维护系统是聚变堆装置可持续安全运行的必要保障，是推进核聚变装置成功并实现高效商业化运营的必须步骤。然而，遥操作机器人面临高辐照环境、关节数量多、末端负载大、可达区域大、空间约束多、定位精度高等难题与挑战，当前机器人技术尚无法满足这些需求。
图3 聚变堆偏滤器等堆芯部件遥操作维护
我院机电系AMI团队承担了遥操作重载臂研制的攻关任务，在总结前期聚变环节作业机器人经验基础上，广泛借鉴国际同领域的先进研究成果，携手合肥等离子所遥操作团队，设计了面向磁约束核聚变堆真空室遥操作维护的多功能重载机器人——CMOR（CFETR Multipurpose Overload Robot），具备搬运、切割、焊接、检查、打磨等多种功能，分别设计了9自由度和7自由度两款构型，其末端最大负载分别达到1.05吨和2.5吨，重复定位精度为10毫米，相关性能参数行业领先。进一步，为保障重载臂CMOR的安全、可靠、高效运行，团队还率先开展了基于数字孪生的重载臂健康状态管理技术研究，通过构建的数字底座优化重载臂的运动控制、振动抑制以及精度补偿，以实现虚实共生的遥操作系统智能运维，支持CMOR保持技术领先地位。
图4 CMOR重载臂实物样机已部署于CFETR八分之一样机平台上
自2020年7月项目启动以来，团队历经三年多的不懈努力，完成了包括单关节认证件、关节测试平台、重载关节精密驱动减速器、壳体、关节组件以及控制系统等零部件的设计与制造工作，并完成了各个关节单独综合测试。今年9月，在合肥聚变堆园区现场圆满完成整臂的总装工作，将其部署于CFETR八分之一样机平台上，研制进展行业领跑。这一成果得到了欧盟国际核聚变堆ITER等外方专家的高度赞赏与肯定，成为本届国际科学艺术周活动的亮点之一，吸引了超过4万名访客前来参观。
图5 单关节认证件及测试平台（一期）与重载机械臂设计与制造（二期）顺利通过评审
长期以来，机电系AMI团队在非标机电装备、工程测试与设备状态故障诊断等领域积累了丰富经验，是国内最早从事故障诊断的团队之一。团队累计承担了数十项国家重点研发计划等重要科研项目，响应国家有组织科研号召，建立了一支专业的研究团队，为中国未来聚变堆建设贡献了华中大的智慧和力量。此次重载机械臂实物样机的亮相，不仅标志着我国在聚变堆遥操作领域跃升至行业领跑地位，更为我国聚变堆的顺利建成与商业化运营提供了坚实的技术保障。未来，随着聚变堆技术的不断突破与发展，我国将在全球能源转型与可持续发展中扮演更加重要的角色。
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