中国施工队主导全球“人造太阳”安装：ITER项目的技术突破与领跑

中国施工队在国际工程界久负盛名，但这一次他们所承接的项目，却标志着技术领域的全新突破。

2024年2月末，全球规模最大的“人造太阳”项目——ITER，与由中核集团中核工程牵头的中法联合体正式签署了真空室模块组装合同。

在成功完成了ITER“心脏”设备的安装后，中核集团进一步成为ITER主机安装的独家承包商。

全球最大的“人造太阳”，为何最终选择由中国企业来承担安装重任？

人造太阳的梦想

核反应作为人类已知最高效的能量产生方式，主要包括核裂变与核聚变两种形式，其对应武器分别为原子弹和氢弹。

此前，正解局曾介绍过核动力集装箱船，其中采用的第四代堆型熔盐反应堆代表了当前核裂变技术的顶峰。

相较于核裂变，核聚变其实与我们的生活更为贴近——每天抬头可见的太阳，便是持续进行核聚变反应、释放光与热的天然范例。

核聚变的基本原理较为简单：较轻的原子核，如氘（D）与氚（T），融合形成较重的原子核如氦，并释放出巨大能量。

核聚变反应原理示意图

原理虽简，实现却极难。

由于核聚变需要极高的温度，因此人类目前掌握的都是热核聚变技术——从研发历程看，均是先有原子弹再有氢弹，因为引爆氢弹必须先引爆一枚原子弹。

军事应用如此，民用领域亦然。

利用核裂变发电，早已是成熟技术。

然而，利用核聚变发电，人类至今尚未实现。

氢弹的核聚变瞬间释放能量过大，无法用于发电，人类所需的是可控的热核聚变。

如何制造出一个“人造太阳”，成为全球科学家不懈追求的目标。

20世纪50年代，前苏联科学家提出了利用超导体产生强磁场约束能量的构想，其核心装置称为托卡马克，用于实现热核聚变。

2021年升级后的俄罗斯托卡马克T-15MD装置

1985年，在日内瓦峰会上，美国、苏联、欧洲和日本共同发起了国际热核聚变实验反应堆计划，即ITER项目，作为冷战结束的标志性合作之一。

1988年，ITER项目的研究设计工作正式启动。

汇聚全球聚变研究成果，历经13年时间和15亿美元投入后，研究设计于2001年最终完成。

2007年，这个全球最大的“人造太阳”项目正式开工建设。

ITER项目最初仅有美、苏、欧、日四个成员，后扩展为美、俄、欧、日、中、韩、印七个成员国，协作国数量增至35个。

项目时间跨度长、技术难度高，ITER被视为国际空间站之后规模最大的全人类合作项目。

按照原计划，若一切顺利，2025年将完成全部建造工作。

至2050年，ITER项目有望实现商业规模上持续且安全的能源输出。

如同许多国际合作项目，ITER背后也存在着政治博弈。

其中，法国与日本之间的竞争尤为激烈。

法国在核电领域经验丰富，资金投入慷慨，加之欧盟在整个项目中出资最多，最终赢得了多数选票。

日本在热核聚变研究方面一直处于世界领先地位，投入资金也颇为雄厚，但有一大缺陷：位于地震带。

ITER项目鸟瞰图，黑色最高建筑为其托卡马克部分

最终，ITER项目选址于法国南部海港城市马赛以北约80公里处的圣保罗-莱迪朗斯小镇。

项目面临的重重困难

似乎大型项目总是难以逃脱延期交付的命运。

ITER项目在技术层面主要遭遇了两大难题。

首先，在已安装的19×11米（62×36英尺）气室中，发现待焊接的砌块接头存在尺寸误差。

在设计理念中，聚变需要将超热等离子体中的轻原子核挤压在一起，因此需通过强大磁力将等离子体约束在托卡马克内，即一个密闭环形室中。

若砌块接头尺寸不准，托卡马克不仅可能泄漏，甚至存在爆炸风险。

其次，在设计用于屏蔽核聚变产生巨热的隔热板材料选择上，数据模拟显示现有材料存在严重问题。

隔热板上密集的冷却管金属在剧烈温差变化下易老化，产生裂纹并贯穿管壁，安全隐患极为严峻。

ITER检测中已发现管道出现裂纹

时任项目总干事Pietro Barabaschi曾用“这将需要数月甚至数年时间解决”来形容问题的严重性。

据他估算，由于这两大问题，2025年完工已无可能，但仍有希望在2035年完成全部计划。

相比技术难题导致的延期，资金短缺更令人头疼。

2006年项目启动时，各参与国约定以10年为期共同筹资50亿欧元，未曾想资金消耗远超预期。

2023年初，ITER官方统计显示，按当前进度和支出，预估总成本将突破200亿欧元。

最新文件表明，即便这一数字也已过时，实际情况可能更为严峻。

ITER项目中各国承担的建设组件分布

内部人员颇为悲观，认为剩余技术挑战将使预算呈几何级数增长。

ITER项目建设正面临失控风险。

中国的加入与崛起

在很长一段时间里，中国一直被排除在ITER项目之外。

表面理由是中国的核聚变研究水平不足。

然而，这一理由显然站不住脚。

事实上，早在1994年，中国首个圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST“合肥超环”（HT-7）便已研制成功。

这使中国成为继俄罗斯、法国、日本之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。

中国建造的世界上首个全超导托卡马克主机

即便如庣，在七个成员国中多数尚未拥有超导托卡马克装置的情况下，ITER仍拒绝中国加入。

转机出现在2003年。

加拿大在选址竞争中失败后，愤而宣布退出。

ITER顿时出现10亿欧元的资金缺口，鉴于中国的资金实力，ITER最终同意中国加入。

中国的加入还产生了连锁效应。

美国原本于1998年以加强基础研究为由退出了ITER计划。

中国于2003年1月初表态参与协商后，美国在1月末便宣布重新加入ITER计划。

美国的去而复返，显然是中国加入让项目成功希望大增所致。

中国的表现也确实不负众望。

中国虽加入最晚，却成为ITER项目得以推进至今的关键保障。

至今，ITER最重要的四个安装节点均由中国团队完成。

2020年5月，杜瓦底座成功吊装是第一步。

杜瓦底座是ITER托卡马克装置最核心的设备，既是首个安装的大型组件，又承担着基础支撑和安全屏障的作用。

吊装完成后的杜瓦底座，展现出工业设计的美感

杜瓦底座重达1250吨，安装精度需控制在2毫米以内。

如此高难度的作业，中核集团仅凭48人团队便顺利完成，还刷新了中国核能行业大件设备吊装的精度记录。

底座完成后，4个月后，杜瓦下部筒体也开始吊装。

虽相较于前者，这个“小家伙”仅重400吨，相当于两架波音747飞机，尺寸占ITER托卡马克装置三分之一，吊装技术难度依然不小。

2021年1月，杜瓦底座冷屏（LCTS）吊装成功，托卡马克装置第三个重大部件安装完成。

2021年4月，极向场超导线圈PF6成功落位，标志着中国对ITER核心设备的四联吊圆满完成，也意味着国际热核聚变实验堆磁体系统安装全面启动。

PF6线圈是所有ITER超导磁体中最底层、最重、制造难度最高的之一，也是决定ITER装置运行成败的关键线圈之一，制造耗时七年多，由中科院等离子体物理研究所完成。

五个月后，托卡马克最后一个下部主要磁体PF5也成功就位。

值得注意的是，这些成就均是在疫情期间取得的，中国未有任何延误，充分展现了负责任大国的担当。

此处必须再次提及文章开头的消息。

签约仪式现场照片

按原计划，中国团队将要吊装的ITER真空室模块本应由日本组装。

为此，日本与欧盟共同研制了JT-60SA，作为先行试验。

2020年安装完成，调试三年后于去年12月投入运行。

日本的托卡马克装置JT-60SA

一切就绪，为何ITER临时改变主意呢？

原因在于，这个号称世界最大的JT-60SA在技术上已大幅落后于中国。

日本的JT-60SA仅能使用氘（D）作为模拟燃料进行等离子体控制实验，无法直接发电。

而中国的方案采用具有发电前景的氘氚（D-T）核聚变反应堆，是目前最接近成功的试验与示范装置。

最关键的是，从各项技术指标看，中国的托卡马克全面超越日本技术。

在合肥，中国先后实现了1兆安、1.6亿度、1056秒的等离子体运行三大科学目标。

技术上的显著差距，决定了ITER的重要模块必须由中国安装。

从跟跑到领跑

当然，中国如此投入资金与人力，并非充当冤大头。

在加入ITER计划前，国际主流核聚变会议上几乎听不到中国的声音。

加入ITER后，中国不仅补上了课程，还将自己的聚变工程实验堆（CFETR）提上日程。

科研方面，中国核聚变学者和研究机构连续多年受邀在大会作报告，甚至担任会议主席。

线圈吊运至装置口的场景

该领域国际顶级杂志的封面上，也频繁出现中国学者的身影。

如今，中国已与全球120多个聚变研究机构建立合作，众多研究成果在此氛围中诞生。

通过参与ITER计划，中国的资金与人力投入换来了广泛技术合作与领先地位。

中国核聚变技术实现了从跟跑到领跑的转变，在国际话语权方面影响力空前。

前文提及的EAST虽属先进，但仍是实验装置。

中国聚变工程实验堆则不同，直接瞄准应用，追求实用化，目标是建成世界首个聚变实验电站。

目前，实验堆前身“夸父”已在合肥紧锣密鼓建设。

无人机拍摄的“夸父”园区全景

一旦成功，中国将拥有一种近乎无限、无污染、无温室气体排放且安全的能源。

这不仅将提升人民生活品质，推动经济发展，还将深刻影响国际秩序与地缘政治。

期盼中国的“人造太阳”早日升起，照亮未来。