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2021年5月3日 未分类 0

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7月28日,国际热核聚变实验反应堆(ITER)主要项目的安装正式启动。图为安装地点。ITER官方网站地图

中国的人造太阳

短板领域实现破冰:中国为“人造太阳”贡献智慧和力量

耗资100多亿欧元,吸引了世界顶尖科学家和工程师的参与,其总人口占世界人口的一半以上。关于本世纪最雄心勃勃的能源科技合作项目,中国国家主席习近平在安装和启动仪式上表示,自计划实施以来,中国始终恪守国际承诺。中国企业和研究人员勇敢地承担起了这一重任,与国际同行共同努力,为该计划的顺利进行贡献了中国的智慧和实力。

地球上万物生长所依赖的光和热来自太阳聚变反应后释放的能量。氘是支持这种聚变反应的燃料,它在地球上极其丰富,足以让人类利用它达数百亿年之久。

中国工程院院士李江刚坚信:”在我的有生之年,一定有一盏能用聚变打开的灯。这盏灯必须而且只能在中国。

在法国南部Kadahash 180公顷的项目工地上,重达1250吨(ITER)的Duva基地在托卡马克装置的基坑临时支护上平稳地安顿下来,这意味着ITER主机设备的安装工作已经开始。

7月28日,国际热核聚变实验反应堆的主要项目在ITER国际组织总部举行安装和发射仪式。ITER国际总干事评价说,这标志着ITER从先前成员国制造的部件的建造阶段正式转变为该装置的组装阶段。

童谣中的”种植太阳”这首歌有望成为人类的现实。通过ITER计划,他们模仿太阳产生能量的过程–将氢同位素聚集到氦中,释放出取之不尽的核聚变能源。

ITER项目承载着人类为和平目的使用核聚变能源的良好愿望。法国总统马克龙称这是”对未来的希望”,韩国总统文在银则称赞它为”人类历史上最伟大的科学计划”。

耗资100多亿欧元,吸引了世界顶尖科学家和工程师的参与,世界人口总数超过了世界人口的一半。关于本世纪最雄心勃勃的能源科技合作项目,中国国家主席习近平在安装和启动仪式上表示,自计划实施以来,中国始终恪守国际承诺。中国企业和研究人员勇敢地承担起了这一重任,与国际同行共同努力,为该计划的顺利进行贡献了中国的智慧和实力。

加入数以百亿计的入场费”俱乐部

地球上万物生长所依赖的光和热来自太阳聚变反应后释放的能量。氘是支持这种聚变反应的燃料,它在地球上极其丰富,足以让人类利用它达数百亿年之久。

如果能创造一个”人造太阳”来发电,人类就能完全实现能源自由。

理想是很美的,现实是很僵化的。

最突出的问题之一是,什么容器被用来运载聚变?

利用地球上的聚变能量,在人工控制的条件下,等离子体的离子温度应该达到1亿摄氏度以上。目前,地球上最耐热的金属材料钨的熔化温度超过3000度,这意味着在一亿摄氏度的温度下,就找不到含有这种高温等离子体的容器。

20世纪50年代以来,中国与国际社会基本同步,开始研究可控核聚变。1965年,在四川乐山建立了中国核聚变研究基地西南物理研究所(中国核工业集团西南物理研究所)。

随着不同技术路线的发展,苏联科学家提出的托卡马克方案应运而生,国际核聚变的主要研究方向转向托卡马克。

上世纪80年代,莫兰在访问了位于四川乐山108级石梯贫瘠山的中国核聚变研究基地后对此进行了描述:”尽管研究所的房间就像一个洞穴,但我们的科学家愿意放弃他们的奉献,在这种环境下,他们制作了”中国环游一号”,仅设计图纸就高达三层。

中国循环1号机组”作为我国核聚变领域的第一个重大科学工程设备,为我国核聚变事业奠定了坚实的基础,培养了一支人才队伍。

上世纪90年代,中国用羽绒服、牛仔裤、瓷器和其他生活材料取代了苏联价值1800万卢布的半超导托卡马克装置。

当时经济非常困难,主要依靠自己的实力,对T/C 7及其低温系统进行了根本的改革。1994年,成功地研制出一种名为”HT-7″的大型科学装置,使中国成为继俄罗斯、法国和日本之后第四个拥有超导托卡马克的国家。

然而,在勘探过程中,越来越多的国家的科研人员认识到”人工太阳”科学装置的规模大、建设周期长、投资成本高,任何一个”闭门施工”的国家都不能解决所有困难的问题,必须”聚集世界的气体,借力八方的力量”。

1985年,美国和苏联领导人为此提出了ITER计划。

虽然我国有许多托卡马克装置,但ITER并不是简单的放大,而是需要从总体设计、技术和材料等方面解决新的关键问题。然而,即使在过去,即使是小型托卡马克装置,我国也一直在使用进口超导材料。

罗德龙说:”你能做的事情必须靠你自己去做,而你不能通过创新来做。”罗德龙说,这是中国参与ITER计划时一贯坚持的理念和原则。

ITER所需的超导绞线需要拔出直径为0.8mm的数万根细丝。最重要的是,这种细超导线圈可短至1公里长。

一方面主张在国内研究开发的基础上,另一方面,为了保证项目的进展,罗德龙采用了”激动人心的方法”:建议承担这项任务的西方超导材料技术有限公司,购买一些进口超导材料作为备份,理由是要做比较验证。如果公司不能在一段时间内发展,考虑到项目的进展,就必须使用进口材料进行相关的认证活动;但是,如果认证使用进口材料,随后的生产也必须使用进口材料。

令人兴奋的方法”给超导体研究开发团队带来了很大的压力。起初,最多拉出一到两百米,线断了,材料报废了。研究人员克制了自己的努力,最后在10个月的时间内完成了技术研究。

现在真丝拔出来了,超过1公里就不会断了,比国外的表现要好。”罗德龙对比赛的结果很满意。

短板领域的破冰

由于调整的结果,”第一墙”第一墙”面临数亿度堆芯,最终将承受从每平方米0.5兆瓦到4.7兆瓦的热量,瞬间熔化一公斤钢。中国承担了开发ITER第一堵墙的12%的任务。

负责这项任务的中国核工业西南物理研究所领导研制了第一个墙体采购包的半原型部件,并于2016年成功通过了高热负荷测试,并率先通过了世界范围内的认证。鲜为人知的是,作为ITER屏蔽封装项目的项目负责人,陈继铭和团队为此奋斗了近12年,克服了特殊材料、连接技术、高可靠性等一系列问题。

在”短板”设计领域,中国也实现了破冰,中国团队设计优化提供的”中国方案”大大增加了中国在ITER电源采购包中的份额,也为我们以后领导ITER电力系统开发、项目管理和其他任务奠定了良好的基础。

2017年,活跃在聚变研究领域的研究人员聚集在一起,讨论ITER计划和全球聚变能源研究与开发的未来道路。30多名外国专家和10多名国际融合领域的中国专家起草并签署了”北京融合宣言”–支持中国发展聚变能源,该宣言认为中国按时向ITER提供高质量的组件。这表明中国在ITER中发挥着重要作用,并进一步倡导世界核聚变产业的科学家在聚变能源相关技术的研究和开发方面加强合作,为解决世界能源短缺和环境污染问题做出最终贡献。

完成任务就是信守诺言,在整个ITER项目中遇到困难,勇敢地顶上,那就是承担责任的勇气。”罗德龙说,在中国和国际同行共同努力为计划顺利进行贡献中国智慧和实力的背后,还有长期的积累和努力。

永远不要做它,去做它,甚至比任何其他国家都更好。

在最初的设计版本中,蒸汽冷凝器储罐是作为一个整体设计的,并放置在整个ITER设备的顶部。

但2016年,ITER新任总干事主张改变原来的设计,因为以前的设计有更大的安全风险。在基础建成之前,必须将凝汽器分解成四台蒸汽冷凝器,埋在地下。当时,基础已经挖出,这意味着蒸汽凝汽器的生产计划和供应时间大大提前了。

原蒸汽冷凝罐供应商暂时”捡起”,按照程序,ITER组织向所有参与方公开招标。

中广核工程有限公司率先与苏州天和科技有限公司组建了一个联营企业,首次通过国际招标直接获得ITER的任务。从招标开始到最终准时交付的两年多时间里,该集团的两个单位克服了生产周期短、设计变化大、标准要求高、协调界面多等困难,确保了项目的进展。

还有更多这样的故事。

PF6线圈是目前世界上最大、难度最大的超导磁体,相当于两架波音747的重量,对ITER的正常运行起着重要作用。

中科院合肥研究所的血浆持续了6年,完成了该部件的研制,所有关键制造工艺和部件均已通过ITER国际集团的一次认证。

在2018年左右,一个更大的任务正在向中国人挥手。ITER组织向主机Tac1安装部分发出了招标请求。

这是ITER实验反应堆托卡马克装置最重要的核心设备安装项目,也是ITER迄今最大的合同项目。罗德龙告诉记者,ITER有很多安装包,但Tac1安装部分项目就像核电站核岛上的反应堆和人的心脏,其重要性不言而喻。主要工作是安装杜瓦结构和杜瓦结构与真空容器之间的所有系统。

但直到2001年,这个强大的俱乐部才将中国拒之门外。当时,除了意识形态上的排斥之外,主要原因是中国的科研水平还不高。

2001年,由于美国的退出,ITER成员国希望扩大参与国的范围,以增加分摊会费。2003年,中国以”平等伙伴”的身份正式加入了ITER项目谈判–以高额的入会费加入该俱乐部,每个成员国承诺至少承诺其投资的10%,即约100亿元人民币。

当时,碳排放问题并不那么紧迫,雾霾和空气污染问题也不那么严重。

中国参加ITER,向全世界强调中国是一个负责任和有能力的国家。2017年,在”ITER十年回顾与展望”会议上,前科技部部长徐冠华回忆说,他参加了ITER谈判。中国应该积极参加国际高科技俱乐部,不应因为自己的原因而错过好机会,这符合国家利益,”前科技部部长徐冠华回顾了参与ITER谈判的过程。

2006年,在中国、欧洲联盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国的参与下,签署了国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划的联合执行协议,并计划在法国联合建造世界上最大的超导托卡马克实验反应堆。

这是中国在平等基础上参与的最大的国际科技合作项目。其中,中国承担了约9%的采购包开发任务,包括磁体支撑、校正场线圈系统、磁铁馈线系统、涂层第一壁等18个采购包。

由”令人兴奋的方法”所迫的创新

对参与谈判的中国国际核聚变能源计划执行主任罗德龙来说,2003至2006年的日程充满了困难和曲折。由于这是我国从平等设计游戏规则之初第一次介入,这对我们来说是一种新的尝试,因此每个谈判小组都认真研究文件,认真考虑如何最大限度地保护我们的国家利益。在每一次谈判之前,我们都会加班讨论这些法案,并讨论如何制定高案和低案案。如何组织和谈判这次谈判。”。

罗德龙回忆说,当时团队同意先购买超导材料,因为ITER是一种磁约束聚变装置,超导材料是非常核心的内容。尽管我们能做到,但当时我们心中没有底线。

作为世界上最大和最复杂的托卡马克装置,ITER接近北京天坛的大小。它高30米,直径30米,重23000吨。

该项目的难度也不寻常。作为托卡马克装置压力容器的底座,杜瓦底座的重量为1250吨,设备的最终定位偏差不超过2毫米。

与过去不同的是,由中国核集团领导的五个成员国组成了中法财团的联合投标,并最终赢得了投标。

我们对此更感兴趣,最重要的是采购包能最好地反映技术和管理能力。经过综合权衡后,我们决定集中力量进行投标。中国核电工程公司副总经理李强莲。有限公司,用两个”第一个”来描述事件的里程碑意义。中国核能单位首次以总承包的形式成功参与国际科学工程项目,中国首次参与国际大型核科学研究设施的建设。

通过参加ITER项目,我们做了很多事情,从做不到,做得更好,做得更好,甚至比其他国家做得更好。”罗德龙总结说,通过国际合作,中国在国际核聚变阶段有更大的话语权。

在中国,必须有一盏可以通过聚变点燃的灯。

一旦实现可控聚变,将为人类提供取之不尽的清洁能源,研究开发过程中的中间技术也将极大地促进社会经济发展。中国核工业集团西南物理研究所所长段旭如说,”人造太阳”作为一项重大的科学工程,依靠多学科的发展,其发展可以促进这些学科的发展。

罗德龙没想到柳树的无意种植,却催生了国内的聚变产业链。即使在行业内,提供ITER的企业也已成为不需要认证的高质量产品的代名词。

西方超导体经历了”激振法”,积极拓展了超导材料在国内外市场的应用领域,特别是成为西门子核磁共振超导导线的合格供应商。

在加入ITER之前,我们在国际主流融合会议上几乎没有发言权。如今,越来越多的中国学者被邀请作专题演讲、口头报告,甚至担任会议主席。”然而,罗德龙说,中国加入ITER后,中国已逐渐走向世界融合阶段的中心。

在中国第一个核聚变实验装置(HL-2A)和世界上第一个全超导非圆段托卡马克核聚变实验装置(EAST)的帮助下,中国与世界120多个核聚变研究机构建立了合作关系。每年平均有500名国际专家访问中国,与国内相关的聚变研究机构开展合作研究。

ITER不是一个直接商业应用的发电站,而是一个实验反应堆,科学家可以通过这个反应堆进行实验,探索和平利用聚变能源发电的科学和工程可行性,并为聚变能源的商业应用奠定基础,否则就是为其他人制作婚纱。‘参加ITER项目的另一个重大任务是培养人才,’罗德龙说。

推进ITER的过程也是中国核聚变工程技术人才和队伍不断储备的过程。

起初,中国在ITER中只有20名员工,是所有国家中最小的。根据中国9%的缴款率,应该有40至50人的配额。如今,ITER的中国雇员人数继续增加,占近10%,排在欧盟之外的前六名。

到2016年年底,3400多名科学家和2700多名研究生参加了ITER国内特别研究项目,这将为中国未来核聚变示范反应堆甚至商业反应堆的独立设计和建设奠定人才基础。

随着中国磁约束聚变领域科技水平的迅速提高,中国科学家也提出了中国核聚变能源研究和发展的路线图,如着眼于更长远的未来–中国聚变工程试验堆(CFETR)。

罗德龙说,中国加入ITER俱乐部不仅出于战略能源的考虑,更重要的是,通过这样一个国际平台,中国在许多高科技领域、人才培养、项目管理等领域实现了跨越式发展。

在未来,大多数可预见的科学研究障碍是可以克服的。问题是,肯定还有一些不可预见的困难,如今年的疫情,这将对整个项目的进展产生一定的影响。”但罗德龙说,”人们仍然有信心在2025年年底前实现第一次等离子体放电。

ITER”一词在拉丁语中的意思是”路”。回顾过去,人类对核聚变道路的理解由来已久。

有人问:”我们能在有生之年看到真正的人造太阳吗?

中国工程院院士李江刚承认,要把这些成果真正投入商业使用,成为每个家庭都能使用的电力,至少需要几十年的时间,但他坚信:”在我有生之年,一定有一盏灯可以打开。这盏灯必须而且只能在中国使用。

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