比太陽核心溫度還要高6倍，中國核聚變裝置屢次創(chuàng)下世界紀(jì)錄
【中國制造業(yè)極限“探秘”②】從-269℃到1億攝氏度，“人造太陽”如何經(jīng)歷“冰與火”的極度考驗(yàn)？
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安徽合肥“科學(xué)島”上有一個(gè)名為“東方超環(huán)”的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，這是世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置有近百萬個(gè)零部件協(xié)同工作，匯聚了“超高溫”“超低溫”“超強(qiáng)磁場”等多項(xiàng)尖端技術(shù)，人們往往將它形象地稱為“人造太陽”。
-269℃，這是接近熱力學(xué)理論上絕對零度(-273.15℃)的溫度。1億攝氏度，這是比太陽核心溫度還要高6倍且常人難以想象的高溫。
如果說有一種裝置，在制造過程中既要經(jīng)受住接近絕對零度的“極度冷凍”，又要經(jīng)受住上億攝氏度高溫的“極端炙烤”，這其中的難度有多大？
可以肯定的是，在安徽合肥，這樣的“不可能”正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
在一座位于安徽合肥西北部的“科學(xué)島”上，有一個(gè)巨大的罐體，這個(gè)“巨罐”學(xué)名叫托卡馬克，但人們更喜歡將它形象地稱為“人造太陽”。
太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，主要是因?yàn)閮?nèi)部的核聚變反應(yīng)。如果能在地球上造一個(gè)“太陽”來發(fā)電，這無疑會讓“能源自由”的愿景變得越來越清晰。
可控核聚變是一項(xiàng)典型的前沿性、顛覆性技術(shù)。2024年，科技部等七部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》，提出要加強(qiáng)推進(jìn)以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。
合肥“科學(xué)島”上這個(gè)名為“東方超環(huán)”的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，是世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置有近百萬個(gè)零部件協(xié)同工作，匯聚了“超高溫”“超低溫”“超強(qiáng)磁場”等多項(xiàng)尖端技術(shù)，擁有專利近2000項(xiàng)。每個(gè)托卡馬克的建造者，都在做一件“無先例可循的事”。
幾萬個(gè)接頭要“密不透風(fēng)”
2月7日，位于“科學(xué)島”上的合肥聚能電物理高技術(shù)開發(fā)有限公司，幾名工人正在將一根根銅鋁復(fù)合構(gòu)件從液氮中撈出。在與室外空氣接觸后，這些構(gòu)件上很快便籠罩了一層霧氣。工人們說，這些構(gòu)件剛剛經(jīng)歷了一次冷熱循環(huán)試驗(yàn)。
幾周前，這里剛剛傳出一個(gè)振奮人心的消息：“東方超環(huán)”首次完成1億攝氏度1000秒“高質(zhì)量燃燒”，即成功實(shí)現(xiàn)超1億攝氏度、1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，再次創(chuàng)造托卡馬克裝置高約束模運(yùn)行新的世界紀(jì)錄，也標(biāo)志著我國聚變能源研究實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)科學(xué)向工程實(shí)踐的重大跨越。
對于科研團(tuán)隊(duì)來說，“億度千秒”的實(shí)現(xiàn)，充分驗(yàn)證了聚變堆高約束模穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可行性。然而，對于工程團(tuán)隊(duì)來說，為準(zhǔn)備下一次實(shí)驗(yàn)而要開展的設(shè)備“升級”工作才剛剛開始。
“巨罐”里面有著上億攝氏度的高溫，這對于任何耐熱材料都是難以承受的。科學(xué)家需要研制一個(gè)“磁籠子”，用強(qiáng)磁場將等離子體約束在“磁籠子”里，這就相當(dāng)于讓等離子體處于一種“懸浮”狀態(tài)。
這樣的“磁籠子”需要的強(qiáng)磁場究竟有多強(qiáng)呢？
記者了解到，“巨罐”內(nèi)部的磁場強(qiáng)度達(dá)到了地球磁場強(qiáng)度的約7萬倍。如何做好這樣的超導(dǎo)磁體，成為擺在工程團(tuán)隊(duì)面前的重大考驗(yàn)。
“超導(dǎo)磁體必須要冷到一個(gè)極限溫度。”合肥聚能電物理高技術(shù)開發(fā)有限公司總經(jīng)理吳杰峰說，一般情況下，工作人員需要將超導(dǎo)磁體穩(wěn)定在-269℃，這個(gè)溫度對制作過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的要求都十分苛刻。
“超導(dǎo)磁體內(nèi)有幾萬個(gè)接頭需要焊接，每個(gè)接頭都需要在低溫環(huán)境下保持一定的漏率。如果一開始就控制不好漏率的話，等到真正運(yùn)行再去發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，那維修的成本實(shí)在太高。”吳杰峰解釋說。
近百萬個(gè)零件不能出現(xiàn)任何意外
鮮為人知的是，在“人造太陽”的制造過程中，很多零部件是不能用自動化設(shè)備來批量生產(chǎn)的，而是要靠工人師傅們純手工制作。因此，手感是工人師傅們“只可意會且難以言傳”的絕技。
“如果今天師傅的狀態(tài)不好，很可能會影響手上的活。”作為合肥聚能電物理高技術(shù)開發(fā)有限公司制造中心副主任、首席技師，陳建林時(shí)常把這句話掛在嘴邊。
在陳建林看來，對于核聚變實(shí)驗(yàn)裝置來說，哪怕有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了一絲一毫的問題，最終的損失都是不可估量的。
“埃菲爾鐵塔的金屬框架有7000多噸，聚變堆裝置的重量是這個(gè)數(shù)值的4倍。”據(jù)吳杰峰估算，未來的聚變堆裝置需要用約3萬噸的各類高精度部件進(jìn)行裝配，零件數(shù)量近百萬個(gè)。
這是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，對各類零部件的制造、加工、安裝都有著嚴(yán)格的要求。
陳建林曾參與包括“人造太陽”在內(nèi)的十余項(xiàng)國內(nèi)外重大科學(xué)工程核心部件及系統(tǒng)的總裝調(diào)試工作。其中，“東方超環(huán)”裝置的核心部件之一——內(nèi)置式低溫泵就是陳建林在“守護(hù)”。
依靠多年的工程經(jīng)驗(yàn)，陳建林有著超越檢測工具的“手感”。“東方超環(huán)”裝置總體直徑約4米。在狹小、不透氣的內(nèi)真空室，陳建林經(jīng)常只能蹲在固定的位置進(jìn)行操作，時(shí)間長了腿就會麻，站都站不起來。
“在那段時(shí)間，思想上不能開任何小差，連做夢都在想著如何能精準(zhǔn)安裝到位。”陳建林說。
在高速公路上“走鋼絲”
盡管等離子體是被約束在“磁籠子”內(nèi)懸浮的，但整個(gè)“巨罐”還是不得不直面上億攝氏度的高溫，這對內(nèi)部材料及部件的研制提出了極高的要求。
一般情況下，科學(xué)家們會提出一些理論要求，陳建林和同事們會通過加工、裝配、檢測等一系列復(fù)雜工序?qū)⒖茖W(xué)家們的要求變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
不同的材料，特性完全不一樣。如何把它們裝配在一起，是一件非常困難的事情。
鉗工高級技師張虎在合肥聚能電物理高技術(shù)開發(fā)有限公司工作多年，對不同形狀、不同材料的部件進(jìn)行裝配是他的主要工作內(nèi)容。在工作中，他不僅要熟悉各種零部件之間的裝配特性，還要了解不同工藝的特點(diǎn)，才能在裝配過程中有針對性地解決問題。
另外，在極高溫的環(huán)境下，不同的金屬，膨脹系數(shù)不一樣，導(dǎo)熱性能也不一樣。
“對于這些部件，在工藝設(shè)計(jì)上就必須十分講究，因?yàn)橐_保極低溫下和極高溫下，都要具備穩(wěn)定性、安全性。這就像走鋼絲一樣，在高速公路上開汽車不難，但走鋼絲的話，難度就完全不同。”吳杰峰說。
吳杰峰時(shí)常把自己的日常工作比喻為“解方程式”。
他解釋說，“在極低溫和極高溫的夾縫中開展工作，往往會影響產(chǎn)品開發(fā)、材料選擇、加工制造的過程，可選的域度非常小。這就像解方程一樣，當(dāng)約束條件變多，最后只能歷盡艱難險(xiǎn)阻才能找到唯一解。”
“一個(gè)零部件，很少是一步焊成的。”張虎說，盡管可以采取不同的焊接方法進(jìn)行梯度焊接，但是對黏合率的要求一點(diǎn)也不能降低，并且累積誤差要越小越好。
每次裝配之前，張虎往往要先在試驗(yàn)件上預(yù)演一遍。
“一旦裝配真正的部件，絕不允許有一點(diǎn)差錯(cuò)。不僅因?yàn)椴牧咸F了，時(shí)間上更耗不起。”張虎說。
本報(bào)記者 陳華《工人日報(bào)》(2025年02月25日 06版)