撑起“人造太阳”

撑起“人造太阳”

作者：李鹏远

来源：《国企管理》2018年第07期

ITER计划由美国和前苏联于1985年提出倡议，1988年开始正式设计。2006年11月21日，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方签署了ITER计划的联合实验协定及相关文件，计划正式启动实施，目标是共同建造一个超导托卡马克聚变实验堆，探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。由于其原理和太阳发光发热的原理相似，因此也被称为“人造太阳”。

2008年以来，中国陆续承担了ITER计划中的18个采购包，成为除欧盟外承担任务最多的国家。作为国内主要参与ITER计划的单位之一，核工业西南物理研究院（简称西物院）始建于1965年，隶属于中国核工业集团公司，是我国最早从事核聚变能开发的专业研究院，也是国家核能发展“三步走”，即“热堆、快堆、聚变堆”发展战略中聚变研究的核心基地。共承担了包括磁体支撑在内的8个ITER采购包任务，涵盖了ITER关键部件的研发、设备制造、决策管理等领域。

在国家科技部的安排和专项计划支持下，西物院于2006年进入任务的解读和研发，2008年“脉冲磁体受力系统的支撑体系设计研究”项目获得立项批准，2010年圆满完成预研任务中数十项认证工作，并协助我国与 ITER国际组织签署了磁体支撑采购包协议。

2011年初至2014年底，西物院携手国内核电与军工尖端制造企业，航天科工集团、太钢集团、东方电气集团、兵器工业集团、中国二重等，在完成采购包认证任务的同时，在设计创新、特殊材料研制、关键部件制造技术和试验检测技术开发等方面取得突破，革新了一系列聚变工程关键技术。

由于ITER是人类历史上首个特大型超导磁约束聚变装置，技术难度和工程复杂性极高，且无现成的聚变专用标准可供参考，西物院在执行磁体支撑采购包任务十多年间不断摸索，克服了管理链条长、进度要求紧张等困难，及时攻克了一个又一个设计制造中的难题，贡献了中国智慧，提供了中国方案，展现了中国精神。

ITER磁体支撑采购包是百分之百由中国制造的大型采购包，由西物院承担。

磁体支撑系统主要包括纵向场线圈支撑（TFCS，亦称GS重力支撑）、极向场线圈支撑（PFCS）和校正场线圈支撑（CCS）三部分，自身重量就达1600余吨。磁体支撑系统不仅承载着自重，其中TFCS承载1万吨以上的重量，还要承受装置运行中的巨大脉冲电磁力，温度变化产生的交变热应力载荷冲击，以及水平和垂直方向可能的地震载荷。

复杂的工作环境，决定了对设计、制造尤其是材料质量的高要求。

ITER磁体支撑系统的主要材料为316LN奥氏体控氮不锈钢、镍基718和A286高温合金，国内批量生产合格率低，主要靠进口。西物院同国内制造企业经过潜心研究，以及对工艺的不断摸索与优化，材料工业化生产合格率得到大幅提升。这些工艺的成功研发，提升了我国聚变堆关键材料的研发能力，在ITER国际项目中彰显了中国智慧。

西物院在完成ITER磁体支撑工程设计和制造工艺研发过程中，发现了ITER初始设计的多处缺陷，及时为ITER计划提供了兼具物理及工程可实施性的中国方案，同时也彰显了中国高端制造的水平和能力。ITER组织提供的GS重力支撑结构原设计方案基于物理实验，缺乏工程可实现性。西物院遂提出以可制造的栓接结构替代原设计不可实施的焊接方案，该方案通过了国际专家组的评审，成为ITER重力支撑的最终制造方案。不仅如此，西物院还成功建造了重力支撑全模型多维加载测试系统，验证了重力支撑设计的可靠性，为ITER装置和后期的安全稳定运行提供了有力保障。

PF支撑大面积深狭缝U型盒制造工艺的研发，也颇具挑战。此夹具狭缝深度接近1米，宽度仅为10或20毫米。如果按照ITER最初的焊接方案进行制造，易发生焊接变形、产生缺陷导致报废等问题，多家制造企业尝试以该方案试制产品，但均以失败告终。

西物院携手航天新力公司另辟蹊径，创造性地提出采用整体锻造加线切割的方案完成U 型夹具的制造，不但尺寸精度能够得到有效保证，而且无焊接缺陷风险、材料均匀性好、力学性能优异，获得ITER国际组织一致认可和高度评价。

在对高温合金超大直径紧固件进行认证测试过程中，发现螺栓在较低强度下断裂，存在着重大安全隐患。西物院从结构、工艺、材料三方面进行深入分析，找到断裂的根本原因并针对性提出能显著改善性能的新工艺及新结构。大量性能试验验证了新工艺的可靠性，最终被ITER国际组织采纳作为聚变堆高温合金紧固件的标准工艺。

西物院自2015年全面进入磁体支撑产品制造阶段以来，已经圆满实现各重大里程碑节点，并且高质量完成PFCS5全部产品及GS、CCS部分产品的制造，受到ITER国际组织的充分肯定。ITER磁体支撑于2018年6月9日完成首批产品的交付，包括PFCS5全部18件产品及首件GS及PFCS3、4产品。首批产品将运抵ITER法国安装现场，成为首批进场安装的基础性部件，为ITER装置2025年建成并实现首次等离子体放电奠定坚实的基础。

在ITER磁体支撑采购包执行过程中，西物院陆续建立了包括极低温（零下269℃）材料测试平台、多维加载测试平台、紧固件测试平台、热交换测试平台、低温摩擦磨损测试平台等一系列达到国际先进水平的测试平台。其中，极低温测试平台和多维加载测试平台分别获得部级科学技术奖一等奖及三等奖。这些测试平台在支撑ITER计划制造任务顺利实施的同时，将来还可应用于航空、航天、军工等高端领域。

参与ITER计划之后，中国在聚变研发的某些领域，逐步实现了与欧美、日本等国并跑，甚至已经实现了领跑。多项材料及制造工艺等关键技术的突破，一系列先进测试平台的建立，

以及一支具有国际化视野的人才队伍的建设，为中国聚变工程实验堆的设计与建造提供强有力的技术支撑和优质人才储备。

李鹏远，核工业西南物理研究院聚变科学所副总工程师、研究员，研究领域包括聚变堆材料和工艺，等离子体应用技术，离子束技术及材料的合成技术。现主要承担国际热核聚变实验堆（ITER）的设计研究及制造任务，并开展未来示范堆中关键部件的制造技术的研究。