撐起“人造太陽”

七方共建“ITER計劃”

ITER計劃由美國和前蘇聯(lián)于1985年提出倡議，1988年開始正式設(shè)計。2006年11月21日，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方簽署了ITER計劃的聯(lián)合實驗協(xié)定及相關(guān)文件，計劃正式啟動實施，目標(biāo)是共同建造一個超導(dǎo)托卡馬克聚變實驗堆，探索和平利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性。由于其原理和太陽發(fā)光發(fā)熱的原理相似，因此也被稱為“人造太陽”。

2008年以來，中國陸續(xù)承擔(dān)了ITER計劃中的18個采購包，成為除歐盟外承擔(dān)任務(wù)最多的國家。作為國內(nèi)主要參與ITER計劃的單位之一，核工業(yè)西南物理研究院（簡稱西物院）始建于1965年，隸屬于中國核工業(yè)集團公司，是我國最早從事核聚變能開發(fā)的專業(yè)研究院，也是國家核能發(fā)展“三步走”，即“熱堆、快堆、聚變堆”發(fā)展戰(zhàn)略中聚變研究的核心基地。共承擔(dān)了包括磁體支撐在內(nèi)的8個ITER采購包任務(wù)，涵蓋了ITER關(guān)鍵部件的研發(fā)、設(shè)備制造、決策管理等領(lǐng)域。

在國家科技部的安排和專項計劃支持下，西物院于2006年進入任務(wù)的解讀和研發(fā)，2008年“脈沖磁體受力系統(tǒng)的支撐體系設(shè)計研究”項目獲得立項批準(zhǔn)，2010年圓滿完成預(yù)研任務(wù)中數(shù)十項認證工作，并協(xié)助我國與 ITER國際組織簽署了磁體支撐采購包協(xié)議。

2011年初至2014年底，西物院攜手國內(nèi)核電與軍工尖端制造企業(yè)，航天科工集團、太鋼集團、東方電氣集團、兵器工業(yè)集團、中國二重等，在完成采購包認證任務(wù)的同時，在設(shè)計創(chuàng)新、特殊材料研制、關(guān)鍵部件制造技術(shù)和試驗檢測技術(shù)開發(fā)等方面取得突破，革新了一系列聚變工程關(guān)鍵技術(shù)。

由于ITER是人類歷史上首個特大型超導(dǎo)磁約束聚變裝置，技術(shù)難度和工程復(fù)雜性極高，且無現(xiàn)成的聚變專用標(biāo)準(zhǔn)可供參考，西物院在執(zhí)行磁體支撐采購包任務(wù)十多年間不斷摸索，克服了管理鏈條長、進度要求緊張等困難， 及時攻克了一個又一個設(shè)計制造中的難題，貢獻了中國智慧，提供了中國方案，展現(xiàn)了中國精神。

百分之百中國智造

ITER磁體支撐采購包是百分之百由中國制造的大型采購包，由西物院承擔(dān)。

磁體支撐系統(tǒng)主要包括縱向場線圈支撐（TFCS，亦稱GS重力支撐）、極向場線圈支撐（PFCS）和校正場線圈支撐（CCS）三部分，自身重量就達1600余噸。磁體支撐系統(tǒng)不僅承載著自重，其中TFCS承載1萬噸以上的重量，還要承受裝置運行中的巨大脈沖電磁力，溫度變化產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力載荷沖擊，以及水平和垂直方向可能的地震載荷。

復(fù)雜的工作環(huán)境，決定了對設(shè)計、制造尤其是材料質(zhì)量的高要求。

ITER磁體支撐系統(tǒng)的主要材料為316LN奧氏體控氮不銹鋼、鎳基718和A286高溫合金，國內(nèi)批量生產(chǎn)合格率低，主要靠進口。西物院同國內(nèi)制造企業(yè)經(jīng)過潛心研究，以及對工藝的不斷摸索與優(yōu)化，材料工業(yè)化生產(chǎn)合格率得到大幅提升。這些工藝的成功研發(fā)，提升了我國聚變堆關(guān)鍵材料的研發(fā)能力，在ITER國際項目中彰顯了中國智慧。

“西物”方案另辟蹊徑

西物院在完成ITER磁體支撐工程設(shè)計和制造工藝研發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)了ITER初始設(shè)計的多處缺陷，及時為ITER計劃提供了兼具物理及工程可實施性的中國方案，同時也彰顯了中國高端制造的水平和能力。ITER組織提供的GS重力支撐結(jié)構(gòu)原設(shè)計方案基于物理實驗，缺乏工程可實現(xiàn)性。西物院遂提出以可制造的栓接結(jié)構(gòu)替代原設(shè)計不可實施的焊接方案，該方案通過了國際專家組的評審，成為ITER重力支撐的最終制造方案。不僅如此，西物院還成功建造了重力支撐全模型多維加載測試系統(tǒng)，驗證了重力支撐設(shè)計的可靠性，為ITER裝置和后期的安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。

PF支撐大面積深狹縫U型盒制造工藝的研發(fā)，也頗具挑戰(zhàn)。此夾具狹縫深度接近1米，寬度僅為10或20毫米。如果按照ITER最初的焊接方案進行制造，易發(fā)生焊接變形、產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致報廢等問題，多家制造企業(yè)嘗試以該方案試制產(chǎn)品，但均以失敗告終。

西物院攜手航天新力公司另辟蹊徑，創(chuàng)造性地提出采用整體鍛造加線切割的方案完成U型夾具的制造，不但尺寸精度能夠得到有效保證，而且無焊接缺陷風(fēng)險、材料均勻性好、力學(xué)性能優(yōu)異，獲得ITER國際組織一致認可和高度評價。

在對高溫合金超大直徑緊固件進行認證測試過程中，發(fā)現(xiàn)螺栓在較低強度下斷裂，存在著重大安全隱患。西物院從結(jié)構(gòu)、工藝、材料三方面進行深入分析，找到斷裂的根本原因并針對性提出能顯著改善性能的新工藝及新結(jié)構(gòu)。大量性能試驗驗證了新工藝的可靠性，最終被ITER國際組織采納作為聚變堆高溫合金緊固件的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

測試平臺國際先進

西物院自2015年全面進入磁體支撐產(chǎn)品制造階段以來，已經(jīng)圓滿實現(xiàn)各重大里程碑節(jié)點，并且高質(zhì)量完成PFCS5全部產(chǎn)品及GS、CCS部分產(chǎn)品的制造，受到ITER國際組織的充分肯定。ITER磁體支撐于2018年6月9日完成首批產(chǎn)品的交付，包括PFCS5全部18件產(chǎn)品及首件GS及PFCS3、4產(chǎn)品。首批產(chǎn)品將運抵ITER法國安裝現(xiàn)場，成為首批進場安裝的基礎(chǔ)性部件，為ITER裝置2025年建成并實現(xiàn)首次等離子體放電奠定堅實的基礎(chǔ)。

在ITER磁體支撐采購包執(zhí)行過程中，西物院陸續(xù)建立了包括極低溫（零下269℃）材料測試平臺、多維加載測試平臺、緊固件測試平臺、熱交換測試平臺、低溫摩擦磨損測試平臺等一系列達到國際先進水平的測試平臺。其中，極低溫測試平臺和多維加載測試平臺分別獲得部級科學(xué)技術(shù)獎一等獎及三等獎。這些測試平臺在支撐ITER計劃制造任務(wù)順利實施的同時，將來還可應(yīng)用于航空、航天、軍工等高端領(lǐng)域。

參與ITER計劃之后，中國在聚變研發(fā)的某些領(lǐng)域，逐步實現(xiàn)了與歐美、日本等國并跑，甚至已經(jīng)實現(xiàn)了領(lǐng)跑。多項材料及制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)的突破，一系列先進測試平臺的建立，以及一支具有國際化視野的人才隊伍的建設(shè)，為中國聚變工程實驗堆的設(shè)計與建造提供強有力的技術(shù)支撐和優(yōu)質(zhì)人才儲備。

李鵬遠，核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副總工程師、研究員，研究領(lǐng)域包括聚變堆材料和工藝，等離子體應(yīng)用技術(shù)，離子束技術(shù)及材料的合成技術(shù)?，F(xiàn)主要承擔(dān)國際熱核聚變實驗堆（ITER）的設(shè)計研究及制造任務(wù)，并開展未來示范堆中關(guān)鍵部件的制造技術(shù)的研究。