撐起“人造太陽”

七方共建“ITER計劃”

ITER計劃由美國和前蘇聯于1985年提出倡議，1988年開始正式設計。2006年11月21日，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方簽署了ITER計劃的聯合實驗協定及相關文件，計劃正式啟動實施，目標是共同建造一個超導托卡馬克聚變實驗堆，探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性。由于其原理和太陽發光發熱的原理相似，因此也被稱為“人造太陽”。

2008年以來，中國陸續承擔了ITER計劃中的18個采購包，成為除歐盟外承擔任務最多的國家。作為國內主要參與ITER計劃的單位之一，核工業西南物理研究院（簡稱西物院）始建于1965年，隸屬于中國核工業集團公司，是我國最早從事核聚變能開發的專業研究院，也是國家核能發展“三步走”，即“熱堆、快堆、聚變堆”發展戰略中聚變研究的核心基地。共承擔了包括磁體支撐在內的8個ITER采購包任務，涵蓋了ITER關鍵部件的研發、設備制造、決策管理等領域。

在國家科技部的安排和專項計劃支持下，西物院于2006年進入任務的解讀和研發，2008年“脈沖磁體受力系統的支撐體系設計研究”項目獲得立項批準，2010年圓滿完成預研任務中數十項認證工作，并協助我國與 ITER國際組織簽署了磁體支撐采購包協議。

2011年初至2014年底，西物院攜手國內核電與軍工尖端制造企業，航天科工集團、太鋼集團、東方電氣集團、兵器工業集團、中國二重等，在完成采購包認證任務的同時，在設計創新、特殊材料研制、關鍵部件制造技術和試驗檢測技術開發等方面取得突破，革新了一系列聚變工程關鍵技術。

由于ITER是人類歷史上首個特大型超導磁約束聚變裝置，技術難度和工程復雜性極高，且無現成的聚變專用標準可供參考，西物院在執行磁體支撐采購包任務十多年間不斷摸索，克服了管理鏈條長、進度要求緊張等困難， 及時攻克了一個又一個設計制造中的難題，貢獻了中國智慧，提供了中國方案，展現了中國精神。

百分之百中國智造

ITER磁體支撐采購包是百分之百由中國制造的大型采購包，由西物院承擔。

磁體支撐系統主要包括縱向場線圈支撐（TFCS，亦稱GS重力支撐）、極向場線圈支撐（PFCS）和校正場線圈支撐（CCS）三部分，自身重量就達1600余噸。磁體支撐系統不僅承載著自重，其中TFCS承載1萬噸以上的重量，還要承受裝置運行中的巨大脈沖電磁力，溫度變化產生的交變熱應力載荷沖擊，以及水平和垂直方向可能的地震載荷。

復雜的工作環境，決定了對設計、制造尤其是材料質量的高要求。

ITER磁體支撐系統的主要材料為316LN奧氏體控氮不銹鋼、鎳基718和A286高溫合金，國內批量生產合格率低，主要靠進口。西物院同國內制造企業經過潛心研究，以及對工藝的不斷摸索與優化，材料工業化生產合格率得到大幅提升。這些工藝的成功研發，提升了我國聚變堆關鍵材料的研發能力，在ITER國際項目中彰顯了中國智慧。

“西物”方案另辟蹊徑

西物院在完成ITER磁體支撐工程設計和制造工藝研發過程中，發現了ITER初始設計的多處缺陷，及時為ITER計劃提供了兼具物理及工程可實施性的中國方案，同時也彰顯了中國高端制造的水平和能力。ITER組織提供的GS重力支撐結構原設計方案基于物理實驗，缺乏工程可實現性。西物院遂提出以可制造的栓接結構替代原設計不可實施的焊接方案，該方案通過了國際專家組的評審，成為ITER重力支撐的最終制造方案。不僅如此，西物院還成功建造了重力支撐全模型多維加載測試系統，驗證了重力支撐設計的可靠性，為ITER裝置和后期的安全穩定運行提供了有力保障。

PF支撐大面積深狹縫U型盒制造工藝的研發，也頗具挑戰。此夾具狹縫深度接近1米，寬度僅為10或20毫米。如果按照ITER最初的焊接方案進行制造，易發生焊接變形、產生缺陷導致報廢等問題，多家制造企業嘗試以該方案試制產品，但均以失敗告終。

西物院攜手航天新力公司另辟蹊徑，創造性地提出采用整體鍛造加線切割的方案完成U型夾具的制造，不但尺寸精度能夠得到有效保證，而且無焊接缺陷風險、材料均勻性好、力學性能優異，獲得ITER國際組織一致認可和高度評價。

在對高溫合金超大直徑緊固件進行認證測試過程中，發現螺栓在較低強度下斷裂，存在著重大安全隱患。西物院從結構、工藝、材料三方面進行深入分析，找到斷裂的根本原因并針對性提出能顯著改善性能的新工藝及新結構。大量性能試驗驗證了新工藝的可靠性，最終被ITER國際組織采納作為聚變堆高溫合金緊固件的標準工藝。

測試平臺國際先進

西物院自2015年全面進入磁體支撐產品制造階段以來，已經圓滿實現各重大里程碑節點，并且高質量完成PFCS5全部產品及GS、CCS部分產品的制造，受到ITER國際組織的充分肯定。ITER磁體支撐于2018年6月9日完成首批產品的交付，包括PFCS5全部18件產品及首件GS及PFCS3、4產品。首批產品將運抵ITER法國安裝現場，成為首批進場安裝的基礎性部件，為ITER裝置2025年建成并實現首次等離子體放電奠定堅實的基礎。

在ITER磁體支撐采購包執行過程中，西物院陸續建立了包括極低溫（零下269℃）材料測試平臺、多維加載測試平臺、緊固件測試平臺、熱交換測試平臺、低溫摩擦磨損測試平臺等一系列達到國際先進水平的測試平臺。其中，極低溫測試平臺和多維加載測試平臺分別獲得部級科學技術獎一等獎及三等獎。這些測試平臺在支撐ITER計劃制造任務順利實施的同時，將來還可應用于航空、航天、軍工等高端領域。

參與ITER計劃之后，中國在聚變研發的某些領域，逐步實現了與歐美、日本等國并跑，甚至已經實現了領跑。多項材料及制造工藝等關鍵技術的突破，一系列先進測試平臺的建立，以及一支具有國際化視野的人才隊伍的建設，為中國聚變工程實驗堆的設計與建造提供強有力的技術支撐和優質人才儲備。

李鵬遠，核工業西南物理研究院聚變科學所副總工程師、研究員，研究領域包括聚變堆材料和工藝，等離子體應用技術，離子束技術及材料的合成技術。現主要承擔國際熱核聚變實驗堆（ITER）的設計研究及制造任務，并開展未來示范堆中關鍵部件的制造技術的研究。