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本世纪最雄心勃勃的“人造太阳”项目,中国有几分话语权?



在位于法国南部卡达哈什的180公顷项目工地,国际热核聚变实验堆(ITER)重达1250吨的杜瓦底座已平稳落位于托卡马克装置基坑内临时支撑上,这意味着ITER主机设备安装拉开序幕。7月28日,国际热核聚变实验堆计划重大工程安装启动仪式在ITER国际组织总部举行。

ITER国际组织总干事评价,这标志着ITER由此前成员国制造零部件的建设阶段正式转换到装置组装阶段。

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7月28日,国际热核聚变实验堆(ITER)计划重大工程安装正式启动。图为安装现场。ITER官网供图

7月28日,国际热核聚变实验堆(ITER)计划重大工程安装正式启动。图为安装现场。ITER官网供图

童谣里唱的“种太阳”,正有望被人类一点点变成现实。他们要通过ITER计划,模仿太阳产生能量的过程——将氢同位素聚合成氦,释放出取之不竭的核聚变能源。

ITER计划承载着人类和平利用核聚变能的美好愿望。法国总统马克龙评价,这是“未来的希望”,韩国总统文在寅赞其为“人类历史上最伟大的科学计划”。

耗资100多亿欧元,吸引世界顶尖科学家和工程师参加,参与各方人口总和超过全球人口的一半……对于这个本世纪最为雄心勃勃的能源科技合作项目,中国国家主席在安装启动仪式的贺信致辞中说,计划实施以来,中方始终恪守国际承诺,中国企业和科研人员勇挑重担,与国际同行齐心协力,为计划的顺利推进贡献了中国智慧和中国力量。

加入百亿“入门会费”的俱乐部

地球万物生长所依赖的光和热,源于太阳核聚变反应后释放的能量。而支撑这种聚变反应的燃料氘,在地球上的储量极其丰富,足够人类利用上百亿年。

如果能够制造一个“人造太阳”用来发电,人类就能够彻底实现能源自由。

理想很美好,现实很骨感。

一个最突出的问题是,用什么容器来承载核聚变?

在地球上利用核聚变能量,要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。而目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3000多度。这意味着,在1亿摄氏度下,找不到盛装如此高温等离子体的容器。

从20世纪50年代开始,我国与国际基本同步,开始了在可控核聚变领域的研究,并于1965年在四川乐山建成了我国核聚变研究基地——西南物理研究所(今中核集团核工业西南物理研究院)。

不同的技术路线此消彼长,最终苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起,国际核聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。

上世纪80年代,作家莫然造访位于四川乐山108级石梯荒山上的中国核聚变研究基地后这样描述:“尽管研究所的房间就像山洞一样,但我们的科学家具有舍己的奉献精神,就在那样的环境中,他们制造出了‘中国环流器一号’,光设计图纸就有3层楼那样高。”

中国环流器一号。

中国环流器一号。

作为我国核聚变领域第一座大科学工程装置,“中国环流器一号”为我国核聚变事业奠定了坚实基础,培养了人才队伍。

 “中国环流器二号”A装置(HL-2A)。

“中国环流器二号”A装置(HL-2A)。

上世纪90年代,我国用羽绒服、牛仔裤、瓷器等生活物资,换了苏联价值1800万卢布的T-7的半超导托卡马克装置。

在当时经济非常困难的情况下,主要依靠自己力量,对T-7及其低温系统进行了根本性改造。1994年,更名为“HT-7”的大科学装置成功研制,使中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。

然而,在探索过程中,越来越多国家的科研人员认识到,“人造太阳”科学装置规模大、建设周期长、投资成本高,任何一个国家“关起门来搞建设”都无法解决所有难题,必须“聚四海之气、借八方之力”。

1985年,美苏首脑为此提出了ITER计划。

但在2001年之前,这个强国俱乐部一直将中国拒之门外。当时除了意识形态上的排斥,更主要是因为中国的科研水平还不高。

2001年,由于美国退出,ITER成员国出于分摊经费的考虑,希望扩大参与国的范围。中国借此再次申请加入,2003年,正式以“平等伙伴”身份加入了ITER计划谈判——加入这个高“入门会费”的俱乐部,每个成员国要至少承诺10%的投入,约合人民币100亿元。

当时碳排放问题还没那么紧迫,雾霾和大气污染问题也没有这么严峻。

“中国参与ITER,是向世界凸显中国是负责任、有能力的国家。”2017年,在“ITER十年——回顾与展望”会议上,科技部原部长徐冠华在回忆参加ITER谈判过程时说,“事关国家利益,中国应该积极参与国际高科技俱乐部,不能因为自身原因错失良机。”

2006年,国际热核聚变实验堆(ITER)计划《联合实施协议》签署,由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国共七方参与,计划在法国共同建造一个世界上最大的超导托卡马克实验反应堆。

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出席ITER计划第三次部长级谈判会议的时任科技部刘燕华副部长与相关成员方代表草签ITER计划《联合实施协定》。

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ITER计划七方:中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国正式签署ITER计划《联合实施决定》。

这是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。其中,中国承担了大概9%的采购包研制任务,包括了磁体支撑、校正场线圈系统、磁体馈线系统、包层第一壁等18个采购包。

“激将法”逼出的创新

对参与谈判的中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆来说,2003年到2006年的日历表上,写满艰难、曲折。“因为这是我国第一次以平等的身份,从一开始设计游戏规则的时候就介入,对我们来说,这是新的尝试,所以每个谈判小组都认真地研究文件,认真考虑如何能够最大化地保护我们的国家利益,每次谈判前都是加班加点去讨论这些议案,讨论如何去制定高案低案,如何去把这个谈判组织好、谈好。”

罗德隆回忆,当时团队的一致意见,首先要拿下超导采购包,因为ITER是磁约束聚变装置,超导材料是非常核心的内容。尽管能不能做出来,当时大家心里没底。

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TF导体样品及装箱后的TF导体

作为世界在建的最大、最复杂的托卡马克装置,ITER体积接近北京天坛祈年殿的尺寸,高30米,直径30米,重达2.3万吨。

虽然我国有多个托卡马克装置,但ITER不是简单放大,而是需要从整体设计、技术和材料等各个方面,解决全新的关键问题。但即使是以往小型托卡马克装置,我国一直使用的也是进口的超导材料。

“自己能做的一定要自己做,自己不能做的想办法通过创新也要自己做。”罗德隆说,这是中国在参与ITER计划中,一直坚持的理念和原则。

ITER需要的这种超导股线,需要在0.8毫米直径内拉出上万根细丝,最关键的是,这样精细的超导线圈,最短长度达1公里。

一方面倡导立足国内研发,另一方面为保证项目进度,罗德隆使用了“激将法”:建议承担任务的西部超导材料科技股份有限公司买一点进口的超导材料备用,理由是为了做对比验证。如果公司在一定时间内研制不出来,考虑到项目进度因素,就需用进口材料进行相关认证活动;但如果认证用了进口材料,后续生产也必须用进口材料。

“激将法”让超导公司研发团队感到了巨大压力。最初,顶多拔一两百米,线断了,材料也废了。科研人员憋着一股劲,在有限的10个月内,终于完成了技术攻关。

“现在拉出来的丝,超过1公里还不会断,相比国外性能更优异。”罗德隆对竞争带来的结果很满意。

在短板领域实现破冰

由于方案调整,直接面向上亿度堆芯的“第一壁”,每平方米最终承受热量从0.5兆瓦升至4.7兆瓦,瞬间可将一公斤的钢铁融化。我国承担了12%的ITER第一壁研制任务。

担此重任的中核集团核工业西南物理研究院牵头研发了第一壁采购包半原型部件,并在2016年成功通过高热负荷测试,在世界上率先通过认证。鲜为人知的是,作为ITER屏蔽包层项目承担单位项目负责人,谌继明和团队为此奋斗了近12年,攻克了特殊材料、连接技术、高可靠性等一系列难题。

在“短板”的设计领域,我国也实现了破冰,中国团队设计优化提供的“中国方案”,在ITER电源采购包中大幅度增加了中方贡献份额,也为我方后期主导ITER电源系统研制、项目管理等任务奠定了好的基础。

2017年,活跃在聚变研究领域的科研人员共聚一堂,就ITER计划及全球聚变能研发的未来之路展开讨论,国际聚变界30余位外籍专家及10余位中国专家代表起草并签署了《北京聚变宣言——支持中国聚变能发展》,宣言认为,中国为ITER准时交付高质量部件,显示出中国在ITER中扮演了重要角色,并进一步倡导世界聚变界的科学家们为聚变能相关技术研发加强合作,为最终解决世界能源短缺和环境污染问题贡献力量。

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“完成该承担的任务是恪守承诺,在整个ITER计划遇到困难,勇敢顶上,那是勇挑重担。”罗德隆说,中方与国际同行齐心协力,为计划的顺利推进贡献中国智慧和中国力量,背后都是长时间的积累和努力。

“从不会做,到做出来,甚至比其他国家做得更好”

在最初设计版本中,蒸汽冷凝罐被设计成一个整体,安置在ITER整个装置的顶部。

但2016年,新上任不久的ITER组织总干事主张,变更原有设计,原因是之前的设计存在较大安全隐患,必须将蒸汽冷凝罐分解成4个,在地基没建起来之前,预先埋入地下。当时地基已经开挖,这意味着蒸汽冷凝罐的生产计划和供货时间大大提前。

原来的蒸汽冷凝罐供货方临时“撂挑子”,按照程序,ITER组织对所有参与方公开招标。

中广核工程有限公司牵头与苏州天沃科技股份有限公司组建联合体,首次通过国际竞标直接获得ITER这项任务。从投标开始到最后按期交货这2年多的时间里,联合体两家单位克服生产周期短、设计变更大、标准要求高、协调接口多等诸多困难,保证了项目进度。

这样的故事还有很多。

PF6线圈是目前国际上研制成功的重量最大、难度最高的超导磁体,相当于两架波音747飞机的重量,对ITER正常运行起着至关重要的作用。

中科院合肥研究院等离子体所历时6年,完成了该部件的研制工作。所有关键制造工艺及部件全部一次性通过ITER国际组认证。

大约在2018年,一项更重大的任务在向中方招手。ITER组织发布了主机TAC1安装标段工程招标书。

“这是ITER实验堆托卡马克装置最重要的核心设备安装工程,也是ITER迄今为止金额最大的合同工程。”罗德隆告诉记者,ITER有很多安装包,但TAC1安装标段工程好比核电站核岛里的反应堆、人体心脏,重要性不言而喻,主要工作是安装杜瓦结构及杜瓦结构和真空容器之间所有的系统。

工程的难度也不同寻常。作为托卡马克装置压力容器的底座,杜瓦底座吊装重量1250吨,设备最终就位偏差不超过2毫米。

与以往不同的是,中核集团牵头的中法五家成员单位组成中法联合体共同应标并最终中标。

“我们对这个比较感兴趣,最主要的是这个采购包最能体现技术能力和管理能力,综合权衡后,我们决定集中力量投这个标。”中国核电工程有限公司副总经理李强连用两个“首次”来形容事件的划时代意义——中国核能单位首次以工程总承包形式成功参与国际大科学工程项目、我国第一次参与国际大型核科研设施建设。

“通过参与ITER计划,很多东西我们都是从原来不会做,到做出来,并做得更好,甚至比其他国家做得更好。”罗德隆总结,通过国际合作,中国在国际核聚变舞台上有了更大话语权。

在中国,一定有一盏灯被聚变之能点亮

“当某一天可控聚变实现了,将为人类提供取之不尽的清洁能源,同时研发过程中的那些中间技术也将极大推动社会经济的发展。”中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如说,作为大科学工程,“人造太阳”依赖很多学科的发展,它的发展又能推动这些学科的发展。

罗德隆没想到,当年的无心栽柳之举,却催生了国内聚变产业链。甚至在业内,给ITER供过货的企业,已成为不需认证的高质量产品代名词。

经历过“激将法”的西部超导,在国内外市场上积极拓展超导材料应用领域,特别是顺利成为西门子核磁共振超导线材合格供应商。

“加入ITER前,国际主流聚变会议上,几乎没有我们的声音。如今,越来越多中国学者获邀在大会做主题报告、口头报告,甚至担任会议主席。”但罗德隆说,加入ITER后,中国逐渐走向世界聚变舞台的中心。

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借助我国首个偏滤器位形的核聚变实验装置(HL-2A)和世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)这两个大科学装置,我国与全球120多个聚变研究机构建立了合作。每年平均有500人次国际专家访问我国,开展与国内相关聚变研究机构的合作研究。

我国自行设计研制的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)。

我国自行设计研制的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)。

“ITER并不是一个直接商业应用的发电站,而是一个实验堆,就是要让科学家去做实验,探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性,为实现聚变能商业应用奠定基础,否则就是给别人做嫁衣。”罗德隆说,加入ITER计划的另一大任务,就是培养人才。

ITER推进过程,也是中国核聚变工程技术人才与团队持续储备的过程。

最初,中国在ITER组织里的工作人员只有20名,是各国中总人数最少的。按照中国9%的贡献比例,应有40—50名的人员配额。如今,ITER组织中方职员数量持续上升,占比近10%,为欧盟外的六方之首。

截至2016年底,超过3400名科学家和2700名研究生参与了ITER专项国内研究项目,他们将为我国未来自主开展核聚变示范堆乃至商用堆设计、建造奠定人才基础。

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随着我国磁约束聚变领域科学技术水平的快速提升,我国科学家还提出了我国核聚变能源研究发展的建议路线图,比如瞄向更加长远的未来——中国聚变工程试验堆CFETR。

罗德隆说,加入ITER俱乐部,不仅出于战略能源考虑,更重要的是,通过这样一个国际化的平台,中国在若干高新技术领域、人才培养、项目管理等方面实现了跨越式发展。

“未来,在科学研究上,可预见的障碍大多都是能克服的,问题是,一定还存在着不可预见的困难,比如说今年的疫情,对整个项目的进度会有一些影响。”但罗德隆说,“目前大家还是有信心,在2025年底实现第一等离子体放电。”

“ITER”一词在拉丁语中意为“路”,回顾过去,人类认识核聚变的路已经走了很久。

有人问:“在我们的有生之年,能不能看到一个真正的人造太阳?”

中国工程院院士李建刚坦言,要将成果真正投入商用、变成每家每户可以用的电,可能至少还需要几十年,但他坚信:“在我的有生之年,一定有一盏灯能被聚变之能点亮。这一盏灯,一定要,也只能在中国”。