ITER計劃國際大科學工程工作進展

何開輝,羅德隆,王 敏,陶 強,于 芳,龐 博

(中國國際核聚變能源計劃中心，北京 100037)

1 ITER計劃總體進展

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是規模僅次于國際空間站的大科學工程國際合作計劃，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國七方三十多個國家共同參與ITER裝置的建造和下一步實驗運行，其目標是驗證和平利用核聚變能的科學和工程技術可行性，為下一步核聚變能源商業化應用探索道路[1]。鑒于其原理的相似性，受控核聚變能又被稱為“人造太陽”，是全球核聚變人一代代接力奔跑，致力于照亮人類未來的理想終極能源。

1.1 ITER國際組織最新管理結構概況

ITER國際組織(IO)成立于2007年10月，第三任暨現任總干事伯納德·比戈(Bernard Bigot)的新一屆任期從2020年3月開始。去年得到理事會批準后，總干事提出ITER計劃從工程/制造為重點的制造階段向裝配、安裝和建造階段轉變，并根據現階段任務重心提出了新的治理架構，主要包括： (1)建造施工部(CNST)：現階段的核心部門，負責IO與各成員方執行機構(DA)一起完成2025年第一等離子體(2025FP)所需設備/部件的制造/質量/經費/進度/交付和安全存儲，以及設備/部件的裝配、安裝直至調試準備就緒。主要工作包括ITER主機、托卡馬克綜合樓和現場設施的組裝和安裝。CNST由主機建造司、堆工建造司和施工管理辦公室組成。(2)科學運行部(SCOP)：該部門致力于與國際聚變界的科學和技術單位、專家接洽，負責調試和聯調2025FP運行所需的設備/部件和系統；負責已經在ITER現場安裝的所有設備和系統的運行、保存和維護。SCOP參與國際托卡馬克物理活動、激勵ITER科學家成員網絡、ITER運行網絡和訪問學者計劃等活動。SCOP設科學、控制與運行司，下設科學處、控制處和運行處。(3)工程管理部(ENGN)：該部門主要負責系統集成和設計固化。它與各方DA一起通過分階段方法，負責2025FP后至2035年滿聚變功率運行期間所需安裝的設備/部件的設計與制造的持續工程活動。在未來幾年，其主要工作范圍除了整個項目的配置管理、設計和施工、物理和功能集成，還包括固化設計、監督制造、配合2025FP至滿聚變功率期間所運行設備的要求。 (4)事業管理部(CORP)：該部門為ITER計劃提供支撐和資源協調，包括財務資源、人力資源、信息技術資源和外部供應資源，并按照ITER理事會批準的章程負責項目績效管理。CORP由項目控制辦公室、財務與采購司、人力資源司和信息技術處組成。除了以上四個部外，ITER組織還專門設立了安全和質量司、總干事辦公室及內部審計處，獨立向總干事匯報工作。圖1是ITER組織最新管理結構，已于2020年1月1日起正式實施。

圖1 ITER國際組織最新管理結構Fig.1 ITER organizational structure(from 1st Jan.2020)

1.2 ITER國際組織項目管理進展

IO和各方DA致力于實現2025FP，通過優化建造施工策略(RCS)，科學監控項目進度，穩步推進項目實施。長期以來，項目自身各方面的復雜性及眾多關鍵部件首次研制(First of a Kind，FOAK)的特性為項目推進和進度控制帶來了持續的、前所未有的挑戰。特別是新冠肺炎疫情(COVID-19)在全球范圍的蔓延更對ITER項目的實施產生了直接和間接的影響，IO及各成員方政府、執行機構以及采購包制造任務承擔單位均受到不同程度的波及。面對不利局勢，在理事會輪值主席、科技部核聚變中心羅德隆主任的全面指導下、伯納德·比戈總干事的統籌協調下，ITER項目上下團結協作、緊密配合，在ITER理事會關鍵里程碑(ICM)、FOAK部件制造交付以及樓宇建設、現場施工、主機安裝方面均取得了重大進展，展現了“同一個ITER”(“One ITER Team”)的團結協作精神。

2020年6月，總干事在第二十六屆理事會(IC-26)會議上全面匯報了RCS實施進展、各方取得的突破性進展，以及實現2025FP相關任務可能面臨的困難和挑戰[2]。報告指出，ITER項目實現2025FP的相關任務完成率近70%。部件制造及現場施工方面均取得了關鍵進展：托卡馬克大廳與裝配大廳之間的重型吊裝機械工程已于2020年3月完成；由韓國承擔的首個真空室(VV#6)部件已于2020年5月完成制造工作，并于7月運抵ITER現場；環向場線圈(TFC)方面，日本及歐盟各自承擔的首個部件(#12、#9)均已于4月交付運抵ITER現場，日本承擔的第二個部件(#13)也已完成制造任務并啟運；極向場線圈(PFC)方面，由中科院等離子體物理研究所(ASIPP)通過國際競標承擔的歐盟6號部件(PF6)也已于6月順利運抵ITER現場。這些里程碑進度位于項目關鍵路徑上，絕大部分都是FOAK部件首個交付，對掌握規律，提振信心意義重大。

這些矚目成績的取得體現了ITER成員方政府的持續支持、IO和各方DA“疫中”的頑強拼搏以及設計、制造、生產、測試、檢驗、包裝、運輸、交付、存儲全鏈條項目生命周期(PLM)管理能力。技術瓶頸的不斷攻克，各方面經驗的積累，使得項目進度的成熟度、項目管理水平顯著提高。然而，由于個別成員方現金貢獻拖欠、個別產品質量問題的持續涌現，以及COVID-19的深度影響，必將對項目總進度、總經費帶來較大的不確定性。這需要IO與各方DA更加緊密合作，直面疫情影響，力挽狂瀾，繼續在采購包部件制造和施工裝配方面集中全部力量，在嚴格的技術要求下使項目保持強勁推進的勢頭，努力實現項目早日竣工。

1.3 PF6線圈進展

2020年6月26日，ASIPP承接的ITER極向場6號超導線圈(簡稱“PF6線圈”)運抵ITER現場。PF6線圈主要功能是建立ITER裝置所需的強磁場約束等離子體位形，屬于極具有技術挑戰性的任務之一，其外徑11.5 m，高2.5 m，總重近400 t，是關系ITER裝置正常運行的最重要線圈之一，也是目前國際上研制成功的重量最大、難度最高的超導磁體。該采購包最初由歐盟承擔，但由于研制生產嚴重超期，經IO認可，2013年緊急組織對PF6線圈研制生產任務進行國際招標。最終，ASIPP競標成功，實現了我國承接ITER大型超導線圈項目制造的最初意愿。同時，中方國內單位通過公開競標方式承接其他成員方實物貢獻項目的做法，也開創了ITER計劃實施期間成員方間任務合作的新模式。

在PF6線圈生產制造期間，等離子體所面對諸多技術風險、嚴苛的產品測試要求以及COVID-19全球大流行等特殊情況，堅持對產品技術、質量的極致追求，齊心協力、從嚴要求，所有關鍵制造工藝及部件全面實現國產化，一次性通過ITER國際組認證，制造合格率達到100%。最終，PF6線圈生產制造的圓滿完成和順利交付，為實現ITER計劃2025FP奠定了重要基礎，也讓“中國方案”和“中國制造”更加深入地應用于國際大科學工程管理中。同時，我國也藉此掌握了大型超導磁體制造的系列核心技術，成功打破技術壁壘，發展和完善了國內聚變工程領域超導磁體的制造標準及相關規范，為我國未來工程聚變堆超導磁體研發奠定了堅實的工程實踐基礎，也進一步拓展了中歐核聚變能源領域合作的深度和廣度。

1.4 TAC-1安裝進展

經過艱苦努力，中核集團中國核電工程有限公司牽頭的中法聯合體(包括中核二三公司、核工業西南物理研究院、等離子體所和法國法馬通公司)依靠強大的技術實力成功中標并于2019年9月與ITER國際組織簽訂ITER主機安裝一號合同(TAC-1)。這為我國進入歐洲核能領域的工程建造市場提供了良好契機，也為我國后續自主建造聚變反應堆奠定了基礎。

ITER作為目前世界上最大的聚變反應堆實驗工程，是典型的“新材料、新技術、新工藝”的“三新”工程，其復雜程度和技術難度都超過了已經大量建造運行的裂變反應堆。TAC-1安裝工程沒有可借鑒的成熟經驗，其重大的技術挑戰包括大尺寸和/或大重量部件吊裝、高真空或超高真空部件安裝、超導部件裝配和連接等。TAC-1安裝標段工程是ITER托卡馬克裝置最重要的核心設備安裝工程，其重要性相當于核電站的反應堆、人體的心臟，主要工作是為杜瓦結構的安裝以及杜瓦結構和真空容器之間所有系統的安裝。杜瓦底座是ITER托卡馬克裝置“心臟”安裝工作的第一個重大組件，是托卡馬克裝置所有重要設備的基礎，承擔著重要安全屏障的作用，其安裝精度、進度都對主體結構及重要部件安裝產生重要影響，屬于ITER項目進度中的“黃金節點”，是TAC-1第一個重要工程節點。除了技術上的難度，還不得不面對突如其來的疫情考驗，在嚴峻挑戰下，中法聯合體一手抓疫情防控，一手抓安全生產，ITER重達1250 t的杜瓦底座于2020年5月28日平穩落位于托卡馬克裝置基坑內臨時支撐上，杜瓦底座吊裝工作圓滿完成，正式拉開了ITER主機安裝的序幕。伯納德·比戈總干事在吊裝現場的講話中再次重申了杜瓦底座吊裝的重要意義，并充分肯定了此次吊裝的各項準備工作。在IC-26上，理事會主席和各方政府代表團團長都對包括杜瓦底座成功安裝在內的重大項目進展表示祝賀并贊賞在總干事統籌協調下為推進項目實施的艱辛努力！2020年7月28日，ITER計劃重大工程安裝啟動儀式隆重召開，習近平總書記在賀信中指出：國際熱核聚變實驗堆計劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望，計劃實施以來，中方始終恪守國際承諾，這個企業和科研人員勇挑重擔，與國際同行齊心協力，為計劃的順利推進高效率中國智慧和中國力量。十多年來的積極探索和實踐充分證明，開放交流是探索科學前沿的關鍵路徑。

2 ITER計劃專項國內進展

2007年，國務院批準設立ITER計劃專項，代表我國對外履行ITER計劃《聯合實施協定》的承諾和對內開展磁約束核聚變能源研發的雙重任務。

2.1 ITER計劃中方采購包進展

截至2020年上半年，環向場超導導體、矯正場及磁體饋線超導導體、極向場線圈超導導體和高壓變電站材料四個采購包已完成所有生產和交付任務。總體來看，中方采購包合同采購高峰期已過。功能型采購包設計工作陸續完成，部分已啟動制造與集成任務的采購。其中輝光放電(GDC)采購包臨時電極和電源及控制系統和氣體注入(GIS)采購包閥門箱及控制系統兩個功能型采購包的初步設計評審已完成，并進入最終設計評審階段；診斷采購包也處于類似階段。處于認證和生產準備階段的任務不多，僅矯正場線圈、饋場線圈和第一壁采購包有這方面任務。在制造交付方面，今年仍處于高峰階段：饋場線圈、磁體支撐、電源變壓器和安裝輔件、GIS復合管道和診斷等采購包持續交付中。饋場線圈采購包是結構復雜、類型繁多，目前處于制造和交付的中堅階段；矯正場線圈采購包持續開展制造和驗收，并于9月開展啟運儀式；磁體支撐(GS)采購包總體制造任務完成90%～95%，預計年內交付完畢；屏蔽模塊(SB)持續開展鍛件制造和模塊加工制造工作。在采購包制造任務實施過程中，有個別采購包受中美芯片禁運影響，制造和測試任務晚于預期，但最終靠自主研發完成了制造任務。由于ITER計劃的FOAK特性，中方多個采購包時常出現設計變更，導致項目進度的不確定。中方采購包任務總體實際完成量達到71.24%。

十多年來，中方ITER計劃穩步實施，得到ITER組織和部分成員方的高度認可。中方開展了一系列研發創新，攻克了很多關鍵技術難關和卡脖子技術，積累了大量的生產制造經驗，帶動了眾多產業規模化發展，在很多領域填補了國內空白，縮小了與世界發達國家之間的差距，還為各領域培養了大批人才，提升了國際競爭力和綜合國力。通過知識產權的積累和核聚變專項標準的制定，為我國下一步自主研究聚變堆奠定了堅實的基礎。

2.2 ITER計劃國內研究專項進展

ITER計劃國內研究專項的目標，不僅要使我國能在ITER裝置建成后掌握其主要技術，又要在運行階段有效參加ITER裝置上的實驗研究，還要加強聚變物理基礎研究和人才培養，以期能逐步獨立開展核聚變能示范堆的設計和研發。

在國內研究方面，以ITER計劃專項為例，從2008年中心成立以來，支持的國內磁約束聚變研發項目多達160個，總經費約52億。來自中科院等離子體物理所、核工業西南物理研究院、中國科技大學、中國工程物理研究院、華中科技大學等48家科研院所、高等院所和企業累計承擔了600多個課題研究任務。

加入ITER計劃以來，我國在磁約束核聚變、等離子體物理科學、實驗、工程和材料技術方面得到了全面發展。在等離子體輔助加熱和電流驅動模擬，邊界等離子體理論和模擬，等離子體湍流輸運和不穩定性研究，計算機模擬程序開發等方面取得了長足進展；在高負載遙操作樣機制備、中性束注入、全鎢偏濾器研制等方面實現了開創性的突破；在材料工程領域，我國導體采購包中的低溫超導股線實現100%國產化，研發能力和工業化生產國際領先，第一壁使用的高純鈹材制造技術與美國同處于國際領先水平。

針對未來可持續發展能源戰略，科技部組織專家提出了“中國磁約束聚變研究發展路線圖”。基于ITER技術路線，并在此基礎上實現實驗堆—示范堆—原型堆的技術跨越，目標在21世紀30年代，建成200 MW的中國聚變工程實驗堆(CFETR)[3]，與ITER形成互補，將是世界首個可以發電的聚變工程示范堆，重點圍繞聚變堆穩態運行和氚自持等未來聚變堆最重要的科學技術問題開展科學實驗；在21世紀40年代完成中國聚變工程實驗堆升級，開展1000 MW的穩態示范堆相關的科學工程實驗研究；在21世紀50年代開展中國聚變示范原型堆的建設和科學工程實驗研究，為獨立自主的發展一條適合我國國情的聚變能發展計劃奠定堅實的科學技術基礎。

CFETR設計工作開始于2011年，磁約束聚變堆總體設計組的統籌協調下于2014年完成了工程概念設計。目前，正在開展CFETR工程設計，并完成了相關的熱室、建筑布局、廠房結構和基建設計。與ITER相比，CFETR在科學問題上主要解決燃燒等離子體的穩態控制、氚的循環與自持、聚變能輸出等ITER未涵蓋而未來聚變電站必需的內容；在工程技術與工藝上重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發電等ITER不能開展的工作。2017年11月“ITER十年回顧與展望會”上，來自20多個國家的40多位國際磁約束核聚變專家聯合簽署了《北京聚變宣言—支持中國聚變能源發展》，支持中國牽頭建設中國聚變工程實驗堆CFETR。《宣言》稱：過去十年中國核聚變事業不斷拓展且飛速進步，這得益于中國政府的大力支持和中國核聚變學界的不懈努力以及活躍的國際合作。中國正在發展一個雄心勃勃的計劃CFETR，旨在建起ITER和未來核聚變電廠之間的橋梁。CFETR將為世界提供關鍵的能力，以開發和實驗未來商用電廠所需的關鍵元素。

十年來，我們鍛煉了一支具有國際化視野的工程技術人才隊伍，錘煉了一支具有國際大科學工程管理能力的專業人才隊伍，磨煉了一支深諳國際交流談判的國際化人才隊伍。在國際職員方面，經過十年的不懈努力，ITER組織中方職員由初期的16名增至現在的85名，躍居除歐盟外六方之首。國際職員比例由早期的4%穩步曾至目前的9.4%，遠超排名第二位的美國近4個百分點。中方職員遍及ITER組織所有部門，是支撐ITER國際組織日常運行的重要力量。這也進一步說明了我們國內和國際人才培養兩手抓取得了實際效果。

聚變產業的系統化發展離不開配套標準體系建設。2008年開始，我國開展了核聚變專項標準研究工作，并建立了核聚變標準體系。2017年以來已正式發布了兩批40多項核聚變采購包專項標準。目前標準編制意向多達100項，國家核能標準化委員會核聚變分委會的建立呼之欲出。

2.3 磁約束核聚變領域雙邊多邊國際合作進展

我國在磁約束核聚變能研發國際合作方面成效顯著。中國先后與美國、日本、韓國、ITER組織、歐盟、俄羅斯、法國簽署了核聚變雙邊多邊合作協議，同時還加入了國際能源署多個實施協議。中國在國際核聚變界的主流國際會議中扮演著舉足輕重的角色，中國聲音響徹國際舞臺！

2020年，中方擔任ITER理事會輪值主席，一方面以擔任ITER理事會輪值主席為契機積極深度參與ITER國際組織治理和項目管理，提升管理能力和水平，為我國牽頭組織國際大科學工程和大科學計劃積累經驗。同時，持續加強國內核聚變研發力度，以CFETR為基礎，踐行中國磁約束聚變能發展路線圖，按部就班推進下一步示范堆和原型堆的建設。

3 結束語

ITER計劃欲實現的核聚變能具有資源豐富、環境友好等特點，是解決人類社會共同面臨的能源問題、環境問題和社會可持續發展的理想終極能源，然而ITER計劃的國際性、工程性和復雜性決定了其前進道路的曲折性。經過十多年的參與和實施，我國以此為契機提升了國際組織治理能力，發展了國內學科研究，培養了人才隊伍，大力促進了工業企業的發展，解決了眾多卡脖子技術和關鍵核心技術，為我國科技強國的創新目標注入強大的動力。

2020年7月28日ITER計劃重大工程安裝啟動儀式上，習近平總書記賀信中強調：當前，全球正面臨新冠肺炎疫情帶來的嚴峻挑戰，人類比以前任何時候都更需要攜手前行、共克時艱。中方愿意繼續同各方加強科研交流合作，合力突破重大關鍵科學和技術，推進全球科技創新，為增進各國人民福祉、實現全球可持續發展不斷做出新貢獻。我們聚變人將按照總書記的要求，持續做好ITER計劃下一步工作，為實現中國夢，踐行人類命運共同體理念而繼續努力。