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中国钢研:自主研发“人造太阳”关键核心部件

日期: 2022-07-22
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来源:科技日报


去年5月,国家重大科技基础设施EAST全超导托卡马克装置(“东方超环”)传来捷报:实现可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,再次创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录。

有“人造太阳”之称的核聚变实验装置“东方超环”运行条件极其严苛。装置中的偏滤器所扮演的角色就像汽车发动机的排气口,核聚变反应的产物需要通过偏滤器排出去。偏滤器不断承受最为严酷的高温和粒子流的冲击,瞬态高温比火箭喷射的火焰温度还要高。

“东方超环”的偏滤器由中国钢研科技集团有限公司(以下简称中国钢研)所属安泰科技股份有限公司(以下简称安泰科技)研制。法国超导托卡马克装置(WEST)所采用的偏滤器也由这家企业独家供货,同时该企业还是国际热核聚变实验堆(ITER)钨铜偏滤器的关键供应商。

以下是一个自主研发、突破关键技术,从跟跑、并跑到实现领跑的“逆袭”故事——

钨铜复合,偏滤器最理想的材料

早期核聚变装置主要采用石墨偏滤器,但不能满足高参数运行的要求。“科学家们逐渐把目光投向钨这种最耐高温的金属,并认为钨铜复合组件是核聚变装置偏滤器最理想的选择。”安泰科技研发人员秦思贵说。

作为最耐高温的金属材料,钨的熔点是3400多摄氏度,在上亿摄氏度高温之下会熔化甚至挥发。用钨包裹着铜,铜的导热性很强,铜管里再使用冷却水迅速把热量带走。这样,钨铜复合材料就能长时间经受高温等离子体的冲击。

如何实现钨铜复合的无缝衔接是关键的技术难点。当初,面对国外技术壁垒,“东方超环”找到了国内在高温难熔金属领域首屈一指的研发生产机构——中国钢研,并提出了研发钨铜偏滤器的需求。

从2008年开始,中国钢研所属安泰科技开启了钨铜偏滤器的研制之路。

经历多次失败,中间几乎要放弃

安泰科技研发人员史英丽告诉记者,从材料研发、复合连接到无损检测,都是从零开始。研发没有说明书和“避坑指南”。项目组只能不断尝试和试验,干起来不分白天黑夜。

史英丽对当时的研发过程记忆深刻:一次不行,再来一次。失败后就分析原因,找问题,攻克一个问题,又衍生出新问题。白天搞研发,晚上头脑风暴。在很长一段时间内,整个项目组除了睡觉之外几乎没有休息。

“中间几乎觉得要放弃了。”经历五六轮失败后,史英丽心里冒出一个声音:项目是不是进行不下去了?

在最艰难的时刻,公司领导也加入分析讨论,根据研发经验提出各种方法,对项目组进行启发和鼓励:“我们已经实现了突破,只是还有些不稳定因素,能行的。”大家坚持了下来。

最终,项目组充分发挥公司在金属材料和金属扩散连接方面的技术、设备和产业化优势,开发出具有自主知识产权的“两步热等静压扩散焊接”金属复合技术,实现了钨铜复合组件高质量异种材料连接。

“相当于我们用三四年的时间,走完了人家十几二十年的研发路程。”史英丽感叹。研发人员熊宁补充说,项目组不但用很短的时间完成了前期研发,而且用比国际同行更快的时间实现了高性能核聚变用钨材料和钨铜复合组件的批量生产。

复合零缺陷,百分之百无缝衔接

从材料到组装,前前后后108道工序,项目组研发出的钨铜偏滤器巧妙满足了核聚变装置的苛刻要求。

“我们做到了钨铜复合零缺陷,就是百分之百的无缝衔接。因为材料里面只要有一个缺陷,在核聚变装置如此高温、苛刻的环境下,都会快速导致实验失效。”熊宁说。在研发基础上,中国钢研旗下机构和企业协同合作,形成一条从材料制备、复合连接到加工制造、无损检测的完整产业链,在国际上率先实现了聚变用钨铜偏滤器的批量化生产。

2014年,“东方超环”在全球率先把核聚变装置上的石墨偏滤器更换为钨铜偏滤器。当年,“东方超环”就创造了新的世界纪录。经过几年沟通、验证,2018年中国钢研所属安泰科技成功拿到了WEST项目的制造合同,开始向欧洲出口。

20年前,就已盯准这个研发方向

为全球主要核聚变实验装置钨铜偏滤器供货,对于培养了12位院士的中国钢研来说绝不是运气和偶然。

“能在全世界把技术做到领先,需要用敏锐的科技目光看到社会发展需求,提前在战略上有所准备。”中国钢研总经理李波接受记者采访时说,公司在20年前就已盯准可控核聚变方向,认为这将是全球能源发展新趋势,中国钢研应该发挥自己的优势融入其中。

紧盯技术发展前沿,瞄准国家战略需求,解决冶金行业共性关键技术,这种定位从原钢铁研究总院(中国钢研的前身)1952年成立之时起,就已深深地刻在其基因之中。

李波告诉记者,如今为支撑材料强国建设,中国钢研的自身定位也在拓展和升级:从重视冶金流程和冶金工艺到越来越重视冶金材料品种的开发,通过金属材料助力国家高端装备和重大工程发展。

“现在我们的金属材料研发已经涵盖国民经济各大重点行业和领域,实现从超低温金属到耐高温金属基础材料体系全覆盖。”李波自豪地说。

从第三代汽车钢到稀土永磁的组织调控技术,创新可谓是这家企业的“日常”。对于创新,李波有一套自己的见解。“不能为了原创而原创。”李波认为,就央企而言,原创需要聚焦国家战略目标,强化任务战略牵引,解决行业共性关键难题,推动行业重大进步。不仅要形成原创理论,还要形成原创技术和原创产品,满足市场需求,经得住市场的检验。

“过去70年我们一直是技术创新体系的国家队和主力军,未来我们将进一步强化国家战略科技力量的责任担当。”李波说。



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