华夏参加国际热核聚变实验堆布署十年回想,人造日光

在古希腊的神话中,泰坦巨人普罗米修斯盗得天火将人类带入光明世界的故事为人们所熟知。而今天这个神话故事的“现实版”正在我们身边上演——一项被称为“人造太阳”、以解决能源问题为终极目标的核聚变能源研究已经默默开展了50多年。

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中国首批“人造太阳”磁体支撑产品正式交付

2013年6月24日,《国际核工程》网站上刊登了这样一条消息:国际热核聚变实验堆主体工程托卡马克装置综合体建设工作启动,该项目进入了全面建设阶段。很快,该消息被新华社、国家能源局、百度等媒体、网站、论坛纷纷转发。

作为目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一——国际热核聚变实验堆计划(简称:ITER
计划),一直受到国际关注。而这个国际合作计划将有 ” 合肥科技 ”
团队参与,并承担 ITER 总装核心任务。

新华社贵阳6月9日电6月9日,由中核集团承担的国际热核聚变实验堆磁体支撑首批产品在贵州遵义正式交付,将被运往位于法国的国际热核聚变实验堆现场,成为进入厂房并进行安装的首批基础性部件。

沉寂了许久的受控核聚变研究而今走进公众视线,恰逢中国加入ITER第十个年头。作为ITER项目七方成员之一的中国,在ITER项目中扮演了什么角色,未来中国核聚变研究将如何发力?带着上述问题,中国核工业报记者采访了中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆。

7 月 23
日,记者从中科院合肥研究院获悉,日前由中科院合肥研究院等离子体所、中国核电工程有限公司、中国核工业二三建设有限公司、核工业西南物理研究院、法国法马通公司组成的联合体(以下简称:中方联合体),收到了来自国际热核聚变实验堆国际组织的通知,成功中标
ITER 托卡马克主机 TAC-1 安装标段工程。

国际热核聚变实验堆,英文简称ITER,是由中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、韩国、印度等七方共同合作建造可实现大规模聚变反应的实验堆,以解决人类共同面临的能源问题。由于其原理和太阳发光发热的原理相似,也被称为“人造太阳”。

十年:中方合伙人

中方联合体各单位通力协作,历经两年多时间,最终在全球多家竞标商中脱颖而出,成功胜出。此次参与
TAC-1
安装工程标段的实施,将为我国进入欧洲核能领域的工程建造市场提供良好契机,同时也为我国后续自主建造中国聚变工程实验堆奠定坚实的基础。

中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆介绍,此次交付的“人造太阳”磁体支撑产品,是ITER重要结构安全部件之一,负责支撑整个热核聚变实验堆的核心装置——磁体,其质量和进度关系到整个ITER装置的运行稳定性和装配进度。磁体支撑不仅承载着1万吨的磁体系统重量,还要承受极端条件下恶劣的工作环境,决定了对设计和制造的高要求。

国际热核聚变实验堆计划,又称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。由中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七方共同实施。

“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。由中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七方共同实施,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆。

ITER磁体支撑研发制造任务,由中核集团核工业西南物理研究院承担。中核集团核工业西南物理研究院院长刘永介绍,自2010年12月以来,他们联合国内多家企业组成的团队历经8年,先后完成了从材料到制造工艺的系列认证,以及ITER磁体支撑采购包的生产制造任务,取得多项关键技术的重大突破,最终获得ITER国际组织的认可,为和平利用核能和人类可持续发展贡献“中国智慧”和“中国方案”。

“在ITER项目中,中国承担10%的科研、设备制造采购等任务,并全面参与该项目的决策和管理。”在罗德隆看来,耗资100多亿欧元,吸引全世界核聚变领域科学家和工程技术人员参加,规模仅次于空间站的能源科技合作项目中,中国扮演着越来越重要的角色。

中国是参与这个计划的七方成员之一,承担了 ITER 装置近 10%
的采购包。等离子体所作为中方任务主要承担单位,自 2009 年签订了第一个
ITER
采购包合同以来,主持了包括超导导体、校正场线圈、磁体馈线系统、电源、诊断等中国
ITER
采购包制造任务。通过自主创新和研发,目前等离子体所承担的大部分采购包部件实现
100% 国产化制造,质量和进度获得 ITER
组织高度赞誉,并且凭借出色的核聚变工程技术能力和可靠的质量保证能力,2013
年通过国际竞标赢得了欧盟大型超导磁体(ITER PF6
磁体)建造任务,该磁体将于今年正式交付给欧盟。

刘永表示,中国在包括磁体支撑在内的ITER采购包研制过程中,提升了科技创新能力、高端制造水平、国际项目管理能力和专业技术人才培养能力,为中国聚变堆的建设提供强有力的技术及人才储备。

“这里边最重要、最艰难的任务是组织国内科研机构和企业界研制加工制造ITER计划所需的部件和子系统,每项任务称为一个采购包。”
罗德隆说。据介绍,我国承担的12个采购包,基本涵盖了ITER计划的核心关键部件,包括:环向场线圈和极向场线圈导体、校正场线圈、磁体支撑、磁体馈线、磁体支撑、高压变电站设备、交直流转换系统、电源无功补偿系统、气体注入及辉光放电清洗系统、第一壁、中子屏蔽模块和数套等离子体诊断系统等。

TAC-1 安装标段工程,是 ITER
托卡马克主机最重要的核心设备安装工程,也是自我国参与 ITER
计划以来通过国际竞标获得的金额最大的工程建造项目。TAC-1
安装标段包括托卡马克主机超导磁体系统、磁体馈线系统、杜瓦、冷屏、诊断线缆等总装任务。现场装配的部件数以万计,精度要求高,标准严苛。TAC-1
安装标段装配子任务有 400
余项,与托卡马克主机最核心的部件超导磁体和馈线系统相关的任务就有 240
余项,其中涉及到的磁体馈线系统、校正场线圈、极向场六号线圈等均由等离子体所制造完成。

据悉,中核集团在发展裂变核电技术的同时,坚持发展受控核聚变研究。中核集团核工业西南物理研究院作为我国聚变研究核心基地之一,承担的ITER技术任务涵盖了关键部件的研发、设备制造、决策管理等领域,在ITER采购包和核聚变国内研发方面取得了多项重大突破。

目前,我国已与ITER国际组织签署11个采购包安排协议,完成37份国内研制和加工制造合同的签署。其中,中国研制的ITER超导导体等部件的性能在参与的七方中处于领先地位,部分采购包进展处于前列。

等离子体所在托卡马克装置上 40 多年的技术积累和国际影响力,让 ” 中国设计
” 和 ” 中国制造 ”
多次应用于国际大科学工程。核心技术的长期积累为中方团队成功获得 TAC-1
安装标段工程打下了夯实的技术基础。 (合肥晚报 ZAKER 合肥记者 蒋瑜香)

最让罗德隆等ITER中国中心工作人员自豪的是,今年6月,中方首个运往ITER现场的部件——极向场五号线圈用认证铜基导体顺利抵达目的地。该导体不仅是中方首个运输至ITER现场的部件,也是ITER计划执行以来,各成员方中第一个成功运往ITER现场运输的大型部件。

导体的成功交付表明,中国是唯一做到所有导体试验品全部一次性通过严格苛刻的国际验证的国家,产品性能优异,处于七方前列。

“PF导体采购包是外方内圆的异型导体,其制造工艺复杂,包括焊接工艺、无损检伤技术、导体成型及收绕技术等。”罗德隆告诉记者。对于中方的表现,ITER组织总干事本岛修曾多次给予肯定:“中方在ITER计划进度执行方面处于引领地位。”

十年:产业化能力渐成型

在国际核聚变研究中,很长一段时间,美国、日本和欧盟等保持着明显的优势,因此一起被纳入国际核聚变的第一阵营。而中国在过去十年的发展中,则被视为第二阵营中崛起最快的国家。

“十年前,中国的核聚变研究还只是“跟踪发展”的态势,而经历十年的发展,如今中国已经摆脱
‘追寻’的姿态,大有走向世界前沿的架势。”据罗德隆介绍。

我国加入ITER本身的目的就是要通过参加ITER装置的建造和运行,全面掌握磁约束核聚变研究和技术成果,锻炼、培养一支高水平聚变科研和工程技术人才队伍;带动我国其他相关领域的技术发展,推进我国核聚变能源的研究发展。“现在看来,通过这十年锻炼,我们的确朝着这个目标迈进一大步。”
罗德隆说。

“最大的变化有两方面,一是通过ITER项目,中国核聚变的发展环境在得到改善。二是我们的项目管理、科研开发、人才培养、设备制造等能力得到了大幅提升。”回忆起十年前我国核聚变的发展,罗德隆用“寂寞”两个字来形容。

早在1933年,即发现核裂变现象5年前,人类就发现了核聚变。随后,世界各国开始展开了核聚变研究,试图和平利用受控核聚变,以解决未来能源危机。而我国在1965年制定的“12年科学规划”中也决定开展“人造太阳”的研究。

“但事实上,在很长一段时间内,核聚变开发在我国并没有成为主流认识。”罗德隆介绍说。在参加ITER之前,虽然我国对这项研究非常重视,也在不断加大投入,但与美国、日本、欧洲这些经济发达的国家和地区相比,我们的投入“相当薄弱”。因为缺乏资金,中国聚变研究的青年科技人才队伍曾一度面临枯竭的危机。但随着我国加入ITER组织,参与的人越来越多,认识上不断提升,社会各方给予了很大的支持,并最终成立了ITER中国这个专业机构。

除了环境的改变,产业能力的提升更让罗德隆引以自豪。“对我们来说目前最重要的工作还是做好项目管理工作,来确保ITER项目的质量和时间节点的顺利进行。“罗德隆说。

今天的中国ITER中心已建立起完整的质量管理推进体系。通过内审、日常检查、管理评审等方式确保体系的有效运行,切实满足“做我所写,写我所做”的质量管理要求;同时继续依托外审、监造等方式对供应商采购合同执行过程进行监控,带动各级供应商针对ITER计划完善自身质保体系,进一步优化ITER计划实施合格供应商管理,形成供应商管理的正反馈,为形成中方全链条、全流程的“大质量管理体系”的长效管理奠定了基础。

通过完整的项目管理体系,中方承担的采购包任务进展顺利,各项目齐头并进,硕果累累。罗德隆告诉记者:“我国已累计签署11个采购安排协议。贡献额已完成中方全部采购包额度的85%,略高于ITER组织采购包部署安排进度。同时采购包任务也执行良好,各供应商积极部署任务实施,以顺利通过ITER组织及第三方检测,陆续起运日本和欧洲。“

如果说项目管理带动下已取得了累累硕果,那么,扎扎实实的开展科研能力建设便是成果的根基。位于成都的核工业西南物理研究院和合肥的中科院等离子物理研究所,就得益于该项目所带来的科研能力提升。

“这两家科研院所是我国核聚变领域最重要的两家单位。这十年来,通过ITER计划的牵引,我们的科研成果可以说震惊了世界。”罗德隆说。如今,在科研基础能力建设方面,中方与国际间设计数据交换频繁,设计任务进展顺利。“我们要和法国合作成立核聚变协作实验室;我国建成世界首个全超导托卡马克EAST,已经实现100秒的偏滤器放电和长时间的高约束放电。HL-2A最高电子温度达5500万摄氏度。今年年初EAST又获重大实验成果,其辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出,初步验证了系统的长脉冲运行能力。”

“ITER计划本身采用了大量的新技术,大家都是从零起步。但对于相关设备制造的基础条件,却有很高的要求。采购包的研制工作对国内制造业有着非常好的推动作用。”在谈到设备采购和制造时罗德隆表示,比如超导线圈的导体,在过去超导导体的制造上,我们国家的制造量非常有限,其中Nb3Sn股线的生产能力只有公斤量级,现在我们提供的超导体是百吨级。ITER主机共有18个超大级磁体,每一个的重量相当于一架波音747客机重量。这对于国内的制造业来说是机遇也是个挑战。

“比如环向场线圈导体,过去我们国家并没有成熟的技术,
ITER项目一开始,国内就有研究院所成立企业公司,并逐步从‘不能做’到‘能够做’再到国际上的领先水平。所需的Nb3Sn股线,从原来被美国OSD公司垄断,到现在很多国外厂家也希望能从我国进货。”“中国核聚变工业化能力的提升,获得了国际同行的认可,现在ITER总部也请一些专家来和我们一起研究部件加工制造方面的问题,我国核聚变能源技术总体上处于与国际高端同步发展的水平,从而把我国设备加工制造的总体能力,带到了一个国际化的更高的平台。”“只有这样,世界核聚变研究领域中的中国元素才格外醒目。”罗德隆说。

下一个十年:发力中国实验堆

如果说上一个十年,ITER的牵引使世界认识了中国的核聚变科研能力,中国融入了世界的核聚变开发,那么下一个十年中国核聚变的发力点在哪里?

“参加ITER计划,是我国核聚变能发展的前所未有的机遇,符合我国未来发展的能源战略,标志我国进入世界核聚变能源研究的先进行列。参与其中不仅为我国在核聚变能源研究方面进入世界最前沿提供了可能,也将为我国未来自主开展核聚变示范堆乃至商用堆设计、建造奠定基础。”对于未来的发展,罗德隆显得胸有成竹,“下一个十年,或更长时间,中国要做两件事,一是通过ITER计划的实施,全面掌握核聚变堆的设计、建造和运行经验;二是启动中国核聚变工程实验堆设计工作。”

据了解,对于前者,中国除了通过采购包的前期技术开发和部件的加工制造,来获取和掌握ITER的设计和制造技术外,还向ITER组织派遣了大量工作人员。“目前,我们已经由十年前的每年12人增加到了现在的每年30人左右。我们希望,在未来35年内,中国通过全面参与ITER装置的建造、运行,以及国内的其他配套科研项目,能够培养出自己的人才队伍。”

而对于后者,据罗德隆透露,国家科技部组建了以中国工程院万元熙院士为首的总体设计组,积极开展我国自主研发核聚变工程实验堆的相关设计工作。”来源:中核网

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