“人造太陽”的中國力量


來源:中國產業經濟信息網   時間:2020-08-07





  “耗資100多億歐元,吸引世界頂尖科學家和工程師參加,參與各方人口總和超過全球人口的一半……對于這個本世紀最為雄心勃勃的能源科技合作項目,中國國家主席習近平在安裝啟動儀式的賀信致辭中說,計劃實施以來,中方始終恪守國際承諾,中國企業和科研人員勇挑重擔,與國際同行齊心協力,為計劃的順利推進貢獻了中國智慧和中國力量?!?br/>  
  地球萬物生長所依賴的光和熱,源于太陽核聚變反應后釋放的能量。而支撐這種聚變反應的燃料氘,在地球上的儲量極其豐富,足夠人類利用上百億年。
  
  中國工程院院士李建剛堅信:“在我的有生之年,一定有一盞燈能被聚變之能點亮。這一盞燈,一定要,也只能在中國?!?br/>  
  在位于法國南部卡達哈什的180公頃項目工地,國際熱核聚變實驗堆(ITER)重達1250噸的杜瓦底座已平穩落位于托卡馬克裝置基坑內臨時支撐上,這意味著ITER主機設備安裝拉開序幕。
  
  7月28日,國際熱核聚變實驗堆計劃重大工程安裝啟動儀式在ITER國際組織總部舉行。ITER國際組織總干事評價,這標志著ITER由此前成員國制造零部件的建設階段正式轉換到裝置組裝階段。
  
  童謠里唱的“種太陽”,正有望被人類一點點變成現實。他們要通過ITER計劃,模仿太陽產生能量的過程——將氫同位素聚合成氦,釋放出取之不竭的核聚變能源。
  
  ITER計劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望。法國總統馬克龍評價,這是“未來的希望”,韓國總統文在寅贊其為“人類歷史上最偉大的科學計劃”。
  
  耗資100多億歐元,吸引世界頂尖科學家和工程師參加,參與各方人口總和超過全球人口的一半……對于這個本世紀最為雄心勃勃的能源科技合作項目,中國國家主席習近平在安裝啟動儀式的賀信致辭中說,計劃實施以來,中方始終恪守國際承諾,中國企業和科研人員勇挑重擔,與國際同行齊心協力,為計劃的順利推進貢獻了中國智慧和中國力量。
  
  加入百億“入門會費”的俱樂部
  
  地球萬物生長所依賴的光和熱,源于太陽核聚變反應后釋放的能量。而支撐這種聚變反應的燃料氘,在地球上的儲量極其豐富,足夠人類利用上百億年。
  
  如果能夠制造一個“人造太陽”用來發電,人類就能夠徹底實現能源自由。
  
  理想很美好,現實很骨感。
  
  一個最突出的問題是,用什么容器來承載核聚變?
  
  在地球上利用核聚變能量,要求在人工控制條件下等離子體的離子溫度達到1億攝氏度以上。而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多度。這意味著,在1億攝氏度下,找不到盛裝如此高溫等離子體的容器。
  
  從20世紀50年代開始,我國與國際基本同步,開始了在可控核聚變領域的研究,并于1965年在四川樂山建成了我國核聚變研究基地——西南物理研究所(今中核集團核工業西南物理研究院)。
  
  不同的技術路線此消彼長,最終蘇聯科學家提出的托卡馬克方案異軍突起,國際核聚變界的重點研究方向隨之轉向了托卡馬克。
  
  上世紀80年代,作家莫然造訪位于四川樂山108級石梯荒山上的中國核聚變研究基地后這樣描述:“盡管研究所的房間就像山洞一樣,但我們的科學家具有舍己的奉獻精神,就在那樣的環境中,他們制造出了‘中國環流器一號’,光設計圖紙就有3層樓那樣高?!?br/>  
  作為我國核聚變領域第一座大科學工程裝置,“中國環流器一號”為我國核聚變事業奠定了堅實基礎,培養了人才隊伍。
  
  上世紀90年代,我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資,換了蘇聯價值1800萬盧布的T-7的半超導托卡馬克裝置。
  
  在當時經濟非常困難的情況下,主要依靠自己力量,對T-7及其低溫系統進行了根本性改造。1994年,更名為“HT-7”的大科學裝置成功研制,使中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家。
  
  然而,在探索過程中,越來越多國家的科研人員認識到,“人造太陽”科學裝置規模大、建設周期長、投資成本高,任何一個國家“關起門來搞建設”都無法解決所有難題,必須“聚四海之氣、借八方之力”。
  
  1985年,美蘇首腦為此提出了ITER計劃。
  
  但在2001年之前,這個強國俱樂部一直將中國拒之門外。當時除了意識形態上的排斥,更主要是因為中國的科研水平還不高。
  
  2001年,由于美國退出,ITER成員國出于分攤經費的考慮,希望擴大參與國的范圍。中國借此再次申請加入,2003年,正式以“平等伙伴”身份加入了ITER計劃談判——加入這個高“入門會費”的俱樂部,每個成員國要至少承諾10%的投入,約合人民幣100億元。
  
  當時碳排放問題還沒那么緊迫,霧霾和大氣污染問題也沒有這么嚴峻。
  
  “中國參與ITER,是向世界凸顯中國是負責任、有能力的國家?!?017年,在“ITER十年——回顧與展望”會議上,科技部原部長徐冠華在回憶參加ITER談判過程時說,“事關國家利益,中國應該積極參與國際高科技俱樂部,不能因為自身原因錯失良機?!?br/>  
  2006年,國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃《聯合實施協議》簽署,由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國共七方參與,計劃在法國共同建造一個世界上最大的超導托卡馬克實驗反應堆。
  
  這是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。其中,中國承擔了大概9%的采購包研制任務,包括了磁體支撐、校正場線圈系統、磁體饋線系統、包層第一壁等18個采購包。
  
  “激將法”逼出的創新
  
  對參與談判的中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆來說,2003年到2006年的日歷表上,寫滿艱難、曲折?!耙驗檫@是我國第一次以平等的身份,從一開始設計游戲規則的時候就介入,對我們來說,這是新的嘗試,所以每個談判小組都認真地研究文件,認真考慮如何能夠最大化地保護我們的國家利益,每次談判前都是加班加點去討論這些議案,討論如何去制定高案低案,如何去把這個談判組織好、談好?!?br/>  
  羅德隆回憶,當時團隊的一致意見,首先要拿下超導采購包,因為ITER是磁約束聚變裝置,超導材料是非常核心的內容。盡管能不能做出來,當時大家心里沒底。
  
  作為世界在建的最大、最復雜的托卡馬克裝置,ITER體積接近北京天壇祈年殿的尺寸,高30米,直徑30米,重達2.3萬噸。
  
  雖然我國有多個托卡馬克裝置,但ITER不是簡單放大,而是需要從整體設計、技術和材料等各個方面,解決全新的關鍵問題。但即使是以往小型托卡馬克裝置,我國一直使用的也是進口的超導材料。
  
  “自己能做的一定要自己做,自己不能做的想辦法通過創新也要自己做?!绷_德隆說,這是中國在參與ITER計劃中,一直堅持的理念和原則。
  
  ITER需要的這種超導股線,需要在0.8毫米直徑內拉出上萬根細絲,最關鍵的是,這樣精細的超導線圈,最短長度達1公里。
  
  一方面倡導立足國內研發,另一方面為保證項目進度,羅德隆使用了“激將法”:建議承擔任務的西部超導材料科技股份有限公司買一點進口的超導材料備用,理由是為了做對比驗證。如果公司在一定時間內研制不出來,考慮到項目進度因素,就需用進口材料進行相關認證活動;但如果認證用了進口材料,后續生產也必須用進口材料。
  
  “激將法”讓超導公司研發團隊感到了巨大壓力。最初,頂多拔一兩百米,線斷了,材料也廢了??蒲腥藛T憋著一股勁,在有限的10個月內,終于完成了技術攻關。
  
  “現在拉出來的絲,超過1公里還不會斷,相比國外性能更優異?!绷_德隆對競爭帶來的結果很滿意。
  
  在短板領域實現破冰
  
  由于方案調整,直接面向上億度堆芯的“第一壁”,每平方米最終承受熱量從0.5兆瓦升至4.7兆瓦,瞬間可將一公斤的鋼鐵融化。我國承擔了12%的ITER第一壁研制任務。
  
  擔此重任的中核集團核工業西南物理研究院牽頭研發了第一壁采購包半原型部件,并在2016年成功通過高熱負荷測試,在世界上率先通過認證。鮮為人知的是,作為ITER屏蔽包層項目承擔單位項目負責人,諶繼明和團隊為此奮斗了近12年,攻克了特殊材料、連接技術、高可靠性等一系列難題。
  
  在“短板”的設計領域,我國也實現了破冰,中國團隊設計優化提供的“中國方案”,在ITER電源采購包中大幅度增加了中方貢獻份額,也為我方后期主導ITER電源系統研制、項目管理等任務奠定了好的基礎。
  
  2017年,活躍在聚變研究領域的科研人員共聚一堂,就ITER計劃及全球聚變能研發的未來之路展開討論,國際聚變界30余位外籍專家及10余位中國專家代表起草并簽署了《北京聚變宣言——支持中國聚變能發展》,宣言認為,中國為ITER準時交付高質量部件,顯示出中國在ITER中扮演了重要角色,并進一步倡導世界聚變界的科學家們為聚變能相關技術研發加強合作,為最終解決世界能源短缺和環境污染問題貢獻力量。
  
  “完成該承擔的任務是恪守承諾,在整個ITER計劃遇到困難,勇敢頂上,那是勇挑重擔?!绷_德隆說,中方與國際同行齊心協力,為計劃的順利推進貢獻中國智慧和中國力量,背后都是長時間的積累和努力。
  
  “從不會做,到做出來,甚至比其他國家做得更好”
  
  在最初設計版本中,蒸汽冷凝罐被設計成一個整體,安置在ITER整個裝置的頂部。
  
  但2016年,新上任不久的ITER組織總干事主張,變更原有設計,原因是之前的設計存在較大安全隱患,必須將蒸汽冷凝罐分解成4個,在地基沒建起來之前,預先埋入地下。當時地基已經開挖,這意味著蒸汽冷凝罐的生產計劃和供貨時間大大提前。
  
  原來的蒸汽冷凝罐供貨方臨時“撂挑子”,按照程序,ITER組織對所有參與方公開招標。
  
  中廣核工程有限公司牽頭與蘇州天沃科技股份有限公司組建聯合體,首次通過國際競標直接獲得ITER這項任務。從投標開始到最后按期交貨這2年多的時間里,聯合體兩家單位克服生產周期短、設計變更大、標準要求高、協調接口多等諸多困難,保證了項目進度。
  
  這樣的故事還有很多。
  
  PF6線圈是目前國際上研制成功的重量最大、難度最高的超導磁體,相當于兩架波音747飛機的重量,對ITER正常運行起著至關重要的作用。
  
  中科院合肥研究院等離子體所歷時6年,完成了該部件的研制工作。所有關鍵制造工藝及部件全部一次性通過ITER國際組認證。
  
  大約在2018年,一項更重大的任務在向中方招手。ITER組織發布了主機TAC1安裝標段工程招標書。
  
  “這是ITER實驗堆托卡馬克裝置最重要的核心設備安裝工程,也是ITER迄今為止金額最大的合同工程?!绷_德隆告訴記者,ITER有很多安裝包,但TAC1安裝標段工程好比核電站核島里的反應堆、人體心臟,重要性不言而喻,主要工作是安裝杜瓦結構及杜瓦結構和真空容器之間所有的系統。
  
  工程的難度也不同尋常。作為托卡馬克裝置壓力容器的底座,杜瓦底座吊裝重量1250噸,設備最終就位偏差不超過2毫米。
  
  與以往不同的是,中核集團牽頭的中法五家成員單位組成中法聯合體共同應標并最終中標。
  
  “我們對這個比較感興趣,最主要的是這個采購包最能體現技術能力和管理能力,綜合權衡后,我們決定集中力量投這個標?!敝袊穗姽こ逃邢薰靖笨偨浝砝顝娺B用兩個“首次”來形容事件的劃時代意義——中國核能單位首次以工程總承包形式成功參與國際大科學工程項目、我國第一次參與國際大型核科研設施建設。
  
  “通過參與ITER計劃,很多東西我們都是從原來不會做,到做出來,并做得更好,甚至比其他國家做得更好?!绷_德隆總結,通過國際合作,中國在國際核聚變舞臺上有了更大話語權。
  
  在中國,一定有一盞燈被聚變之能點亮
  
  “當某一天可控聚變實現了,將為人類提供取之不盡的清潔能源,同時研發過程中的那些中間技術也將極大推動社會經濟的發展?!敝泻思瘓F核工業西南物理研究院院長段旭如說,作為大科學工程,“人造太陽”依賴很多學科的發展,它的發展又能推動這些學科的發展。
  
  羅德隆沒想到,當年的無心栽柳之舉,卻催生了國內聚變產業鏈。甚至在業內,給ITER供過貨的企業,已成為不需認證的高質量產品代名詞。
  
  經歷過“激將法”的西部超導,在國內外市場上積極拓展超導材料應用領域,特別是順利成為西門子核磁共振超導線材合格供應商。
  
  “加入ITER前,國際主流聚變會議上,幾乎沒有我們的聲音。如今,越來越多中國學者獲邀在大會做主題報告、口頭報告,甚至擔任會議主席?!钡_德隆說,加入ITER后,中國逐漸走向世界聚變舞臺的中心。
  
  借助我國首個偏濾器位形的核聚變實驗裝置(HL-2A)和世界上首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)這兩個大科學裝置,我國與全球120多個聚變研究機構建立了合作。每年平均有500人次國際專家訪問我國,開展與國內相關聚變研究機構的合作研究。
  
  “ITER并不是一個直接商業應用的發電站,而是一個實驗堆,就是要讓科學家去做實驗,探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性,為實現聚變能商業應用奠定基礎,否則就是給別人做嫁衣?!绷_德隆說,加入ITER計劃的另一大任務,就是培養人才。
  
  ITER推進過程,也是中國核聚變工程技術人才與團隊持續儲備的過程。
  
  最初,中國在ITER組織里的工作人員只有20名,是各國中總人數最少的。按照中國9%的貢獻比例,應有40—50名的人員配額。如今,ITER組織中方職員數量持續上升,占比近10%,為歐盟外的六方之首。
  
  截至2016年底,超過3400名科學家和2700名研究生參與了ITER專項國內研究項目,他們將為我國未來自主開展核聚變示范堆乃至商用堆設計、建造奠定人才基礎。
  
  隨著我國磁約束聚變領域科學技術水平的快速提升,我國科學家還提出了我國核聚變能源研究發展的建議路線圖,比如瞄向更加長遠的未來——中國聚變工程試驗堆CFETR。
  
  羅德隆說,加入ITER俱樂部,不僅出于戰略能源考慮,更重要的是,通過這樣一個國際化的平臺,中國在若干高新技術領域、人才培養、項目管理等方面實現了跨越式發展。
  
  “未來,在科學研究上,可預見的障礙大多都是能克服的,問題是,一定還存在著不可預見的困難,比如說今年的疫情,對整個項目的進度會有一些影響?!钡_德隆說,“目前大家還是有信心,在2025年底實現第一等離子體放電?!?br/>  
  “ITER”一詞在拉丁語中意為“路”,回顧過去,人類認識核聚變的路已經走了很久。
  
  有人問:“在我們的有生之年,能不能看到一個真正的人造太陽?”
  
  中國工程院院士李建剛坦言,要將成果真正投入商用、變成每家每戶可以用的電,可能至少還需要幾十年,但他堅信:“在我的有生之年,一定有一盞燈能被聚變之能點亮。這一盞燈,一定要,也只能在中國”。(記者 陳瑜)


  轉自:科技日報

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