“人造太陽”的中國力量

 

7月28日，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃重大工程安裝正式啟動。圖為安裝現(xiàn)場。ITER官網(wǎng)供圖

 

 

圖為我國自行設(shè)計(jì)研制的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）。中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心供圖

 

 

作為我國核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)工程裝置，“中國環(huán)流器一號”為我國核聚變事業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，培養(yǎng)了人才隊(duì)伍。圖為“中國環(huán)流器二號”A裝置（HL-2A）。中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心供圖

 

 

7月28日，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃重大工程安裝正式啟動。圖為安裝現(xiàn)場。ITER官網(wǎng)供圖

 

“耗資100多億歐元，吸引世界頂尖科學(xué)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(gè)本世紀(jì)最為雄心勃勃的能源科技合作項(xiàng)目，中國國家主席習(xí)近平在安裝啟動儀式的賀信致辭中說，計(jì)劃實(shí)施以來，中方始終恪守國際承諾，中國企業(yè)和科研人員勇挑重?fù)?dān)，與國際同行齊心協(xié)力，為計(jì)劃的順利推進(jìn)貢獻(xiàn)了中國智慧和中國力量。”

 

地球萬物生長所依賴的光和熱，源于太陽核聚變反應(yīng)后釋放的能量。而支撐這種聚變反應(yīng)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(jiān)信：“在我的有生之年，一定有一盞燈能被聚變之能點(diǎn)亮。這一盞燈，一定要，也只能在中國。”

 

在位于法國南部卡達(dá)哈什的180公頃項(xiàng)目工地，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）重達(dá)1250噸的杜瓦底座已平穩(wěn)落位于托卡馬克裝置基坑內(nèi)臨時(shí)支撐上，這意味著ITER主機(jī)設(shè)備安裝拉開序幕。

 

7月28日，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)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(jià)，這標(biāo)志著ITER由此前成員國制造零部件的建設(shè)階段正式轉(zhuǎn)換到裝置組裝階段。

 

童謠里唱的“種太陽”，正有望被人類一點(diǎn)點(diǎn)變成現(xiàn)實(shí)。他們要通過ITER計(jì)劃，模仿太陽產(chǎn)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(jì)劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望。法國總統(tǒng)馬克龍?jiān)u價(jià)，這是“未來的希望”，韓國總統(tǒng)文在寅贊其為“人類歷史上最偉大的科學(xué)計(jì)劃”。

 

耗資100多億歐元，吸引世界頂尖科學(xué)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(gè)本世紀(jì)最為雄心勃勃的能源科技合作項(xiàng)目，中國國家主席習(xí)近平在安裝啟動儀式的賀信致辭中說，計(jì)劃實(shí)施以來，中方始終恪守國際承諾，中國企業(yè)和科研人員勇挑重?fù)?dān)，與國際同行齊心協(xié)力，為計(jì)劃的順利推進(jìn)貢獻(xiàn)了中國智慧和中國力量。

 

加入百億“入門會費(fèi)”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(yīng)后釋放的能量。而支撐這種聚變反應(yīng)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(gè)“人造太陽”用來發(fā)電，人類就能夠徹底實(shí)現(xiàn)能源自由。

 

理想很美好，現(xiàn)實(shí)很骨感。

 

一個(gè)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(dá)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(jì)50年代開始，我國與國際基本同步，開始了在可控核聚變領(lǐng)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(tuán)核工業(yè)西南物理研究院）。

 

不同的技術(shù)路線此消彼長，最終蘇聯(lián)科學(xué)家提出的托卡馬克方案異軍突起，國際核聚變界的重點(diǎn)研究方向隨之轉(zhuǎn)向了托卡馬克。

 

上世紀(jì)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(xué)家具有舍己的奉獻(xiàn)精神，就在那樣的環(huán)境中，他們制造出了‘中國環(huán)流器一號’，光設(shè)計(jì)圖紙就有3層樓那樣高。”

 

作為我國核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)工程裝置，“中國環(huán)流器一號”為我國核聚變事業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，培養(yǎng)了人才隊(duì)伍。

 

上世紀(jì)90年代，我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬盧布的T-7的半超導(dǎo)托卡馬克裝置。

 

在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)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(tǒng)進(jìn)行了根本性改造。1994年，更名為“HT-7”的大科學(xué)裝置成功研制，使中國成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)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(rèn)識到，“人造太陽”科學(xué)裝置規(guī)模大、建設(shè)周期長、投資成本高，任何一個(gè)國家“關(guān)起門來搞建設(shè)”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(jì)劃。

 

但在2001年之前，這個(gè)強(qiáng)國俱樂部一直將中國拒之門外。當(dāng)時(shí)除了意識形態(tài)上的排斥，更主要是因?yàn)橹袊目蒲兴竭€不高。

 

2001年，由于美國退出，ITER成員國出于分?jǐn)偨?jīng)費(fèi)的考慮，希望擴(kuò)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(jì)劃談判——加入這個(gè)高“入門會費(fèi)”的俱樂部，每個(gè)成員國要至少承諾10%的投入，約合人民幣100億元。

 

當(dāng)時(shí)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(yán)峻。

 

“中國參與ITER，是向世界凸顯中國是負(fù)責(zé)任、有能力的國家。”2017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(shí)說，“事關(guān)國家利益，中國應(yīng)該積極參與國際高科技俱樂部，不能因?yàn)樽陨碓蝈e失良機(jī)。”

 

2006年，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃《聯(lián)合實(shí)施協(xié)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(jì)劃在法國共同建造一個(gè)世界上最大的超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。

 

這是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目。其中，中國承擔(dān)了大概9%的采購包研制任務(wù)，包括了磁體支撐、校正場線圈系統(tǒng)、磁體饋線系統(tǒng)、包層第一壁等18個(gè)采購包。

 

“激將法”逼出的創(chuàng)新

 

對參與談判的中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)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。“因?yàn)檫@是我國第一次以平等的身份，從一開始設(shè)計(jì)游戲規(guī)則的時(shí)候就介入，對我們來說，這是新的嘗試，所以每個(gè)談判小組都認(rèn)真地研究文件，認(rèn)真考慮如何能夠最大化地保護(hù)我們的國家利益，每次談判前都是加班加點(diǎn)去討論這些議案，討論如何去制定高案低案，如何去把這個(gè)談判組織好、談好。”

 

羅德隆回憶，當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)的一致意見，首先要拿下超導(dǎo)采購包，因?yàn)镮TER是磁約束聚變裝置，超導(dǎo)材料是非常核心的內(nèi)容。盡管能不能做出來，當(dāng)時(shí)大家心里沒底。

 

作為世界在建的最大、最復(fù)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(dá)2.3萬噸。

 

雖然我國有多個(gè)托卡馬克裝置，但I(xiàn)TER不是簡單放大，而是需要從整體設(shè)計(jì)、技術(shù)和材料等各個(gè)方面，解決全新的關(guān)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(jìn)口的超導(dǎo)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(chuàng)新也要自己做。”羅德隆說，這是中國在參與ITER計(jì)劃中，一直堅(jiān)持的理念和原則。

 

ITER需要的這種超導(dǎo)股線，需要在0.8毫米直徑內(nèi)拉出上萬根細(xì)絲，最關(guān)鍵的是，這樣精細(xì)的超導(dǎo)線圈，最短長度達(dá)1公里。

 

一方面倡導(dǎo)立足國內(nèi)研發(fā)，另一方面為保證項(xiàng)目進(jìn)度，羅德隆使用了“激將法”：建議承擔(dān)任務(wù)的西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司買一點(diǎn)進(jìn)口的超導(dǎo)材料備用，理由是為了做對比驗(yàn)證。如果公司在一定時(shí)間內(nèi)研制不出來，考慮到項(xiàng)目進(jìn)度因素，就需用進(jìn)口材料進(jìn)行相關(guān)認(rèn)證活動；但如果認(rèn)證用了進(jìn)口材料，后續(xù)生產(chǎn)也必須用進(jìn)口材料。

 

“激將法”讓超導(dǎo)公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(gè)月內(nèi)，終于完成了技術(shù)攻關(guān)。

 

“現(xiàn)在拉出來的絲，超過1公里還不會斷，相比國外性能更優(yōu)異。”羅德隆對競爭帶來的結(jié)果很滿意。

 

在短板領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)破冰

 

由于方案調(diào)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(dān)了12%的ITER第一壁研制任務(wù)。

 

擔(dān)此重任的中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院牽頭研發(fā)了第一壁采購包半原型部件，并在2016年成功通過高熱負(fù)荷測試,在世界上率先通過認(rèn)證。鮮為人知的是，作為ITER屏蔽包層項(xiàng)目承擔(dān)單位項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，諶繼明和團(tuán)隊(duì)為此奮斗了近12年，攻克了特殊材料、連接技術(shù)、高可靠性等一系列難題。

 

在“短板”的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，我國也實(shí)現(xiàn)了破冰，中國團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)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(xiàn)份額，也為我方后期主導(dǎo)ITER電源系統(tǒng)研制、項(xiàng)目管理等任務(wù)奠定了好的基礎(chǔ)。

 

2017年，活躍在聚變研究領(lǐng)域的科研人員共聚一堂，就ITER計(jì)劃及全球聚變能研發(fā)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(fā)展》，宣言認(rèn)為，中國為ITER準(zhǔn)時(shí)交付高質(zhì)量部件，顯示出中國在ITER中扮演了重要角色，并進(jìn)一步倡導(dǎo)世界聚變界的科學(xué)家們?yōu)榫圩兡芟嚓P(guān)技術(shù)研發(fā)加強(qiáng)合作，為最終解決世界能源短缺和環(huán)境污染問題貢獻(xiàn)力量。

 

“完成該承擔(dān)的任務(wù)是恪守承諾，在整個(gè)ITER計(jì)劃遇到困難，勇敢頂上，那是勇挑重?fù)?dān)。”羅德隆說，中方與國際同行齊心協(xié)力，為計(jì)劃的順利推進(jìn)貢獻(xiàn)中國智慧和中國力量，背后都是長時(shí)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(shè)計(jì)版本中，蒸汽冷凝罐被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，安置在ITER整個(gè)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(shè)計(jì)，原因是之前的設(shè)計(jì)存在較大安全隱患，必須將蒸汽冷凝罐分解成4個(gè)，在地基沒建起來之前，預(yù)先埋入地下。當(dāng)時(shí)地基已經(jīng)開挖，這意味著蒸汽冷凝罐的生產(chǎn)計(jì)劃和供貨時(shí)間大大提前。

 

原來的蒸汽冷凝罐供貨方臨時(shí)“撂挑子”，按照程序，ITER組織對所有參與方公開招標(biāo)。

 

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(lián)合體，首次通過國際競標(biāo)直接獲得ITER這項(xiàng)任務(wù)。從投標(biāo)開始到最后按期交貨這2年多的時(shí)間里，聯(lián)合體兩家單位克服生產(chǎn)周期短、設(shè)計(jì)變更大、標(biāo)準(zhǔn)要求高、協(xié)調(diào)接口多等諸多困難，保證了項(xiàng)目進(jìn)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(dǎo)磁體，相當(dāng)于兩架波音747飛機(jī)的重量，對ITER正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

 

中科院合肥研究院等離子體所歷時(shí)6年，完成了該部件的研制工作。所有關(guān)鍵制造工藝及部件全部一次性通過ITER國際組認(rèn)證。

 

大約在2018年，一項(xiàng)更重大的任務(wù)在向中方招手。ITER組織發(fā)布了主機(jī)TAC1安裝標(biāo)段工程招標(biāo)書。

 

“這是ITER實(shí)驗(yàn)堆托卡馬克裝置最重要的核心設(shè)備安裝工程，也是ITER迄今為止金額最大的合同工程。”羅德隆告訴記者，ITER有很多安裝包，但TAC1安裝標(biāo)段工程好比核電站核島里的反應(yīng)堆、人體心臟，重要性不言而喻，主要工作是安裝杜瓦結(jié)構(gòu)及杜瓦結(jié)構(gòu)和真空容器之間所有的系統(tǒng)。

 

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(shè)備最終就位偏差不超過2毫米。

 

與以往不同的是，中核集團(tuán)牽頭的中法五家成員單位組成中法聯(lián)合體共同應(yīng)標(biāo)并最終中標(biāo)。

 

“我們對這個(gè)比較感興趣，最主要的是這個(gè)采購包最能體現(xiàn)技術(shù)能力和管理能力，綜合權(quán)衡后，我們決定集中力量投這個(gè)標(biāo)。”中國核電工程有限公司副總經(jīng)理李強(qiáng)連用兩個(gè)“首次”來形容事件的劃時(shí)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(xué)工程項(xiàng)目、我國第一次參與國際大型核科研設(shè)施建設(shè)。

 

“通過參與ITER計(jì)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。”羅德隆總結(jié)，通過國際合作，中國在國際核聚變舞臺上有了更大話語權(quán)。

 

在中國，一定有一盞燈被聚變之能點(diǎn)亮

 

“當(dāng)某一天可控聚變實(shí)現(xiàn)了，將為人類提供取之不盡的清潔能源，同時(shí)研發(fā)過程中的那些中間技術(shù)也將極大推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。”中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院院長段旭如說，作為大科學(xué)工程，“人造太陽”依賴很多學(xué)科的發(fā)展，它的發(fā)展又能推動這些學(xué)科的發(fā)展。

 

羅德隆沒想到，當(dāng)年的無心栽柳之舉，卻催生了國內(nèi)聚變產(chǎn)業(yè)鏈。甚至在業(yè)內(nèi)，給ITER供過貨的企業(yè)，已成為不需認(rèn)證的高質(zhì)量產(chǎn)品代名詞。

 

經(jīng)歷過“激將法”的西部超導(dǎo)，在國內(nèi)外市場上積極拓展超導(dǎo)材料應(yīng)用領(lǐng)域，特別是順利成為西門子核磁共振超導(dǎo)線材合格供應(yīng)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(xué)者獲邀在大會做主題報(bào)告、口頭報(bào)告，甚至擔(dān)任會議主席。”但羅德隆說，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(gè)偏濾器位形的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（HL-2A）和世界上首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）這兩個(gè)大科學(xué)裝置，我國與全球120多個(gè)聚變研究機(jī)構(gòu)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(nèi)相關(guān)聚變研究機(jī)構(gòu)的合作研究。

 

“ITER并不是一個(gè)直接商業(yè)應(yīng)用的發(fā)電站，而是一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，就是要讓科學(xué)家去做實(shí)驗(yàn)，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，為實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，否則就是給別人做嫁衣。”羅德隆說，加入ITER計(jì)劃的另一大任務(wù)，就是培養(yǎng)人才。

 

ITER推進(jìn)過程，也是中國核聚變工程技術(shù)人才與團(tuán)隊(duì)持續(xù)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?cè)藬?shù)最少的。按照中國9%的貢獻(xiàn)比例，應(yīng)有40—50名的人員配額。如今，ITER組織中方職員數(shù)量持續(xù)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(xué)家和2700名研究生參與了ITER專項(xiàng)國內(nèi)研究項(xiàng)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(shè)計(jì)、建造奠定人才基礎(chǔ)。

 

隨著我國磁約束聚變領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)水平的快速提升，我國科學(xué)家還提出了我國核聚變能源研究發(fā)展的建議路線圖，比如瞄向更加長遠(yuǎn)的未來——中國聚變工程試驗(yàn)堆CFETR。

 

羅德隆說，加入ITER俱樂部，不僅出于戰(zhàn)略能源考慮，更重要的是，通過這樣一個(gè)國際化的平臺，中國在若干高新技術(shù)領(lǐng)域、人才培養(yǎng)、項(xiàng)目管理等方面實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

 

“未來，在科學(xué)研究上，可預(yù)見的障礙大多都是能克服的，問題是，一定還存在著不可預(yù)見的困難，比如說今年的疫情，對整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度會有一些影響。”但羅德隆說，“目前大家還是有信心，在2025年底實(shí)現(xiàn)第一等離子體放電。”

 

“ITER”一詞在拉丁語中意為“路”，回顧過去，人類認(rèn)識核聚變的路已經(jīng)走了很久。

 

有人問：“在我們的有生之年，能不能看到一個(gè)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(jiān)信：“在我的有生之年，一定有一盞燈能被聚變之能點(diǎn)亮。這一盞燈，一定要，也只能在中國”。