繁忙的法國馬賽港, 即將接收到一批重達60餘噸的來自中國的特殊貨物, 這批貨物從貴州遵義發出, 順長江而下運達上海, 再漂洋過海運至法國馬賽港, 最終將運抵國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)組織總部. 它是 '人造太陽' 的底座和框架.
獲得取之不盡用之不竭的清潔能源是人類的夢想, 而可控的核聚變點燃了人類的這一夢想, 核工業西南物理研究院的這批支撐裝置使這一夢想離現實更近了一步.
與核裂變相比, 核聚變燃料資源近乎無限, 安全性也更勝一籌. 十二年前, ITER計劃邁向實施階段, 吸引了包括中國, 歐盟, 印度, 日本, 韓國, 俄羅斯和美國等世界主要核國家和科技強國共同參與, 由於其原理和太陽發光發熱的原理相似, 也被譽為 '人造太陽' .
作為國內兩家參與ITER 計劃的科研院所之一的西物院, 在2008年就成立了國家磁約束核聚變能發展研究專項, 2010年與ITER簽下磁體支撐採購包合同, 並攜手貴州航天新力鑄鍛有限責任公司等國內高端製造企業, 經過八年設計, 製造, 完成這個採購包的第一批部件, 於6月9日交付ITER國際組織. 這批貨物包括18套極向場線圈支撐PFCS5以及首套重力支撐GS, 極向場線圈支撐PFCS3, PFCS4產品. 值得一提的是, 磁體支撐採購包是國內唯一一個100%由中國製造的大型採購包. 這批部件約佔ITER整個磁體支撐系統的十分之一, 其餘的部分將在2020年底全部完成.
在參與ITER項目的過程中, 中國派出100餘人, 承擔了其中9%的工作量, 負責總共140個採購包中的18個, 成為除歐盟外承擔任務最多的國家. 一方面, 這是履行大國的責任和承諾, 另一方面, 也是利用這一平台向世界展現中國智慧. 'ITER磁體支撐是最早交付並進場安裝的基礎部件之一, 其體量和交付進度對於ITER整體安裝以及後期裝置運行的穩定性起到至關重要的作用. 因此, 磁體支撐部件的交付不僅是實現ITER計劃2025年首次電漿體放電進程中的重大裡程碑, 並向世界表明中國正在履行中方的國際承諾. ' 在交付儀式上, ITER國際組織項目負責人Cornelis BEEMSTERBOER對中方任務的完成情況作出高度評價.
從無法預料到準確認知
說到磁體支撐, 不得不提及它的 '母體' ITER裝置, 它是一個能產生大規模核聚變反應的超導托卡馬克. 慣性約束和磁約束是常見的兩種產生核聚變的方式, 托卡馬克則是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器. ITER計劃即是用特殊形態的磁場把氘, 氚等輕原子核和自由電子組成的, 處於熱核反應狀態的超高溫電漿體約束在有限的體積內, 使它受控制地發生大量的原子核聚變反應, 釋放出熱量.
'高30米, 直徑28米, 接近於北京天壇祈年殿的尺寸. ' 這是中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆對ITER裝置的比喻. 為了承受這個1萬噸的龐然大物, 重力支撐(GS), 極向場線圈支撐(PFCS)和校正場線圈支撐(CCS)三部分, 構成了ITER裝置的四梁八柱, 它們自身重量就達1600餘噸. 作為ITER重要結構安全部件之一, 這批裝置是ITER裝置中最先進入廠房和安裝的基礎性部件, 其質量和進度關係到整個ITER裝置的運行穩定性和裝配進度.
'核聚變是包括重力場, 溫度場, 強電磁場, 輻射場等多種場的耦合, 而核裂變則僅對溫度場要求較高, 這也意味著, 可控核聚變的運行條件更加複雜, 對裝置的要求也更加嚴苛. ' ITER磁體支撐項目負責人李鵬遠告訴記者. 對於磁體支撐來說, 它們不僅承載著1萬噸的磁體系統重量, 還要承受極端條件下產生的巨大脈衝電磁力和強熱應力, 其複雜的工作環境, 決定了對設計和製造的高要求.
重力支撐GS是磁體支撐系統中最重的部件, 由18套複雜支撐結構構成, 每套重達23噸. 其所支撐的超導磁體只能在極低溫的環境運行, 即絕對零度(-269°C)附近, 而磁體支撐部件的底部溫度卻為室溫, 整個部件會經曆從極低溫到極高溫的變化, 溫差達近300倍. '由於熱脹冷縮, GS在頂部會收縮31毫米, 而這個數值在設計之初無法準確預料. ' 李鵬遠說.
雖然人類物質對世界的認識在不斷演化, 但是對於浩淼宇宙來說還是很有限. '由於電漿體放電時產生的電磁力巨大, 現在的物理學界都沒有對其形成完全的認知, 並且這項技術目前沒有現成的標準, 我們只有邊摸索邊更改, 於是我們對GS的設計進行了更改. 而在設計中這樣的經曆不計其數, 經常眼看成功在望又被推翻重新修改. ' 李鵬遠繼續說道.
從無法實現到提出中國方案
在科技研發中, 從設計到工程應用, 從來都不是一條坦途, ITER更不例外. 'ITER給我們提供的設計方案都是基於物理試驗, 並沒有考慮工程上的可實現性, 在實際應用到工程上時, 我們才發現一些設計無法實現. ' 李鵬遠說.
起初, 團隊採取焊接方式對GS上下部位連接, 而在實際焊接中, 發現變形十分嚴重, 也無法再次加工. '一旦一塊韌性板產生焊接缺陷, 整體價值上百萬元的重力支撐部件就會報廢. 於是我們重新設計, 採用螺栓以及夾板固定住21塊韌性板, 替代原先的焊接方案, 並通過軟體分析受力環境, 在模型上進行測試, 證明了設計的可行性, 並通過了國際專家組的評審, 推翻了其原來的設計, 成為ITER最終製造方案. ' 聚變堆材料研究室副主任孫振超說道.
在位於成都的西物院內, 綠樹掩映中有一座一層的試驗廠房, 五, 六個試驗設備正在同時工作, 項目工作人員正在做磁體支撐系統的多項試驗, 此次交付的部件就是經由這些設備 '千磨萬擊' 的檢驗, 為磁體支撐系統提供設計, 製造依據. 其中體量最大的是按照GS 1: 1比例類比的磁體支撐試驗模型, 這台設備可以分析包括地震在內32種可能出現的工況, 並進行類比試驗, 經過認證後再到貴州對部件量產.
'由於ITER項目中所有磁體支撐產品都在極低溫環境下工作, 磁體支撐產品的原材料及部分產品都會在這裡做超低溫試驗, 國外雖然也有類似的設備, 但是沒有統一標準. 我們充分依據國際上可執行可參照的標準, 建造了數套超低溫測試平台, 檢驗從材料到部件在超低溫條件下的可靠性, 形成了一套標準, 而國外的產品也可以用我們的設備接受檢測. ' 孫振超說. 同時, 這些設備也可以為中國聚變工程實驗堆(CFETR)的設計, 製造提供強有力的支撐.
為了更好地兼顧物理學上的需要和工程上的可行性, 磁體支撐項目團隊和幾家製造廠商一道攻克了各種設計, 製造難題, 其間孫振超和另一位工作人員在法國工作了半年, 將中方實際的設計, 製造情況與ITER溝通, 實現了許多技術變更.
此外, 由於超導線圈只能在液氦溫度下運行, 冷卻管的密封性能狀況至關重要, 一旦出現液氦泄漏, 溫度上升有可能導致超導線圈失超甚至燒毀. 今年3月, 磁體支撐團隊完成了3套大型真空氦檢漏設備的製造和調試, 這一系列設備專門用於檢測磁體支撐冷卻系統是否存在泄漏風險.
從並跑到領跑
此次交付的部件中, 數量最多的是極向場線圈支撐(PFCS), 它們是18件外觀類似U型的部件, 單個重量3噸左右, 他們如同橘子瓣一樣拼接出托卡馬克的框架. '這項技術雖然相對簡單, 但在製造上對精度要求較高, 製造難度相對更大. ' 李鵬遠說, 當時他們試圖用焊接方式製造, 但是許多企業都沒能成功實現, 不是有缺陷, 就是有變形, 於是邀請了國內焊接領域的頂級專家, 學者, 討論如何破解這個難題, 而貴州航天新力公司提出了採用整體鍛件切割的方案, 並經過嘗試將這項技術摸索成功, 拿下了這一部件的製造商資格.
這些U型部件從外觀上看似尋常, 卻在左右兩塊板每個板的中間製造了一個縫隙, 以更柔韌的姿態承受壓力. 對此, ITER提出要求, 將左右的縫隙差異控制在正負2毫米以內, 如果縫隙差異超過這個數值, 會導致一邊厚一邊薄, 進而導致受力不均勻, 損壞部件, 甚至造成整體試驗的失敗. 而貴州航天新力公司採用的整體鍛件切割技術, 實現了高於ITER要求的標準, 將誤差控制在正負1毫米以內. 這是中國力量在ITER項目中的一次強有力的展示.
在八年耕耘中, 我國建立的一系列從室溫到極低溫(-269℃)的材料和原型件測試平台處於國際領先水平;取得了多項關鍵技術的重大突破, 超大尺寸整體鍛造技術, 316LN奧氏體控氮不鏽鋼製造技術, 鎳基718和A286高溫合金緊韌體製造技術等均達到國際前沿水平. 工作人員們不僅解決了原ITER設計的缺陷, 獲得ITER組織一致認可和高度評價, 更彰顯了ITER國際項目的中國智慧.
李鵬遠坦率地告訴記者, 在中國加入ITER組織之前, 我國與一些發達國家在這方面的研發, 製造能力差距較大, 而在參與ITER之後, 我們逐步實現了並跑, 甚至在一些領域內我們已經實現了領跑. 中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆也在交付現場作出評價: 中方一直按照進度要求執行項目, 目前在ITER研發, 製造中處於領先地位. 在中國參與ITER項目的過程中, 全社會對核聚變的重視程度得到了提高, 中方兩家科研單位在此過程中科研能力提升很快, 對於我國工程製造也有很大提升, 其中一些項目已經達到世界領先水平. 同時, 我們也培養了一支在工程技術, 科學研究, 工程管理, 國際談判方面的人才隊伍, 為我國以後牽頭大型國際工程起到了積極的作用.
ITER裝置將於2025年建成並實現首次電漿體放電, 在人類未來能源探索的道路上, 西物院以及多家中方企業貢獻了中國力量, 支撐起了 '人造太陽' 的夢想. '西物院在ITER磁體支撐的材料科學, 裝備製造, 加工工藝這一完整的鏈條上實現了突破, 我們對後續中方採購包的完成充滿信心. ' 西物院院長劉永說. 我們有理由相信, 更多的中國智慧將點燃人類利用清潔能源的終極夢想.