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中核集團聚變第一壁成果引歐美駐足 “人造太陽”指日可待
來源:中核集團     發布日期:2017年11月03日

2017年,隨著阿斯塔納世博會中國館的開館,以“中國聚變能源開發與‘國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃’”為核心的展項,引得全世界參觀者一陣“點贊”。事實上,從2006年中國政府、歐盟、美國、俄羅斯等7方共同簽署協定參與ITER研究工作以來,中國的聚變科學家就從未停止向世界講述中國核聚變能源的故事。

2016年12月12日,由中核集團核工業西南物理研究院自主研發制造的國際熱核聚變實驗堆計劃的核心部件——超熱負荷屏蔽包層第一壁原型件率先通過國際權威機構認證。十年積淀,中國科學家用這一技術領域的突破,推動人類“人造太陽”的逐夢之旅又向前邁進了一步。

國際競技:迎難而上

“核聚變是人類解決能源問題的最好方案之一”這一觀念早已是共識。ITER計劃集成了當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果,被認為是實現核聚變必不可少的一步。2004年前后,中國啟動加入ITER計劃的協商,希望通過ITER計劃提升我國國際合作的層次,提高大型國際科學工程項目的建設、管理、運行和維修經驗,并為今后聚變事業的發展打下人才基礎。

協議簽署之后,中國承擔了 ITER 裝置 10%的制造任務。核工業西南物理研究院承擔其中大部分的涉核項目,包括最重要的一項——屏蔽包層第一壁的設計與制造任務。眾所周知,核聚變產生能量的原理和太陽發光發熱的機理相似,因此也有了“人造太陽”的美名。核聚變要求創造上億度的高溫環境,而要構建起“人造太陽”的核心,就需要用特殊的材料筑起一道“防火墻”,來抵御裝置內部上億度的高溫環境。核西物院承擔的這項任務,處于反應堆最核心位置,直接面對高溫聚變物質,因而被稱為反應堆的“第一壁”。無疑,這是ITER交給中方的一項高難度作業。

根據 ITER 計劃的設計方案要求,第一壁要承受每平米4.7兆瓦的熱量,這幾乎可以瞬間將一公斤的鋼鐵融化?!霸諮蟹⒅?,根本沒有任何一種材料可以承受住這樣的超高溫。我們需要研發一種前所未有的復合材料?!貝詠擁餃撾窨?,核西物院第一壁研究負責人諶繼明就知道,他和他的團隊需要從無到有地走出一條路。而除了材料研發,在質量檢測方面,他們必須通過國際權威機構的認證,這就意味著研發過程的每一步都必須建立起與國際相接軌的標準。

困難重重,壓力巨大。但參與國際項目,其背后的意義不言而喻?!笆瀾縞嫌瀉芏喙以諮芯空庵植牧?,如果我們不盡快研發出來,就沒有辦法與 ITER 簽署采購協議。

更有可能,我們會在國際上失去這個領域的話語權。這與中國加入ITER 計劃的目標背道而馳?!焙廖摶晌?,在這場世界舞臺的競技比賽中,諶繼明和他團隊必須迎難而上。

技術攻關:創下“中國速度”

第一壁的研發每一步都是難關,但明知山有虎,偏向虎山行。核西物院第一壁研發團隊堅持創新、一路攻堅,最終勇闖難關,創下國際競技中的“中國速度”。

諶繼明告訴記者,他們所制造的第一壁由三種材料復合組成,分別是鈹、銅和不銹鋼。如果你認為只是把這三種材料簡單壓制在一起,就能夠制成新的抗輻射、耐高溫的材料,那就太想當然了。

如何突破鈹銅材料的連接技術?這是第一壁團隊首先要突破的難題。剛開始國內外都沒有可參考的經驗,樣品試制全部失敗了。團隊沒有因此而氣餒,他們將可能的影響因素列出,一個個排查原因:假設過問題出在鈹材,于是千山萬水去全世界尋找合適的鈹材;假設過問題出在材料結構,于是抽真空、加壓力;假設過問題出在包套強度,于是反復試驗……試驗、失敗、討論、研究新工藝,兩百多個日夜,連續 40 多輪實驗,這群人連軸轉,誰都沒有怨言。狹路相逢勇者勝,最終團隊在不斷試驗中找到了解決問題的方法,鈹銅連接的成功率一下提高到90%以上!

本以為兩百多天的持續奮斗可以迎來全勝,但又一個“攔路虎”擺在了眼前:ITER 要求焊縫全焊透,同時背面無飛濺。對激光焊接而言,這兩個要求是相悖的。當時,國內外同行曾斷定這根本不可能實現,甚至提出修改技術要求。

“變不可能為可能”,團隊成員又有了新目標。他們顧不上休息,又投入到新一輪技術攻關中。在大量的工藝試驗和不斷總結規律之后,團隊創造性地提出了一種防飛濺吹氣焊方法,成功滿足了 ITER 的要求,也順利保證了產品的質量。

一路披荊斬棘,中國的第一壁研發率先通過國際論證,出產品、出成果、出人才。如今,走進核西物院實驗車間,擺在眼前的不僅僅是一個個閃耀著金屬光澤的成品,還有一支整體專業水平和創新能力大大提高的團隊。而這一成功也在國內外產生了巨大的反響。央視《新聞聯播》給予連續報道;俄羅斯同行在得知中國已解決此問題后,表達了高度的關注和欽佩,并數次邀請中國團隊提供技術幫助;日本、歐盟等國家組織也先后與團隊聯系,想到中國的實驗室參觀、學習。除此之外,技術攻關所形成的成果也將提升目前國內激光焊所能達到的最大能力,并為其它的大型加工生產任務服務。

十年磨一劍,一招試鋒芒。在中國加入ITER計劃的第十年,核西物院用這份優異的成績單,展示了中國在世界聚變舞臺上日益崛起的力量。據了解,除了第一壁部件率先通過ITER組織的認證,核西物院負責的中子屏蔽包層??槿嘰繚圖猜氏韌ü搜櫓?。此外,在設計、特殊材料研制、材料連接技術、關鍵部件制造技術和試驗檢測技術等方面,核西物院也取得了多項突破,為ITER裝置的建造提供了保證,也為中國自主設計建造聚變堆奠定了堅實的基礎。同時,在人類向“終極能源”前進的道路上,從“跟隨”到 “領跑”,這群聚變科學家還在不斷探索,為推動人類聚變研究不斷實現跨越式發展努力。