中國鋼研：自主研發(fā)“人造太陽”關鍵核心部件

文／劉園園

去年5月，國家重大科技基礎設施EAST全超導托卡馬克裝置（“東方超環(huán)”）傳來捷報：實現可重復的1.2億攝氏度101秒等離子體運行和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，再次創(chuàng)造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄。

有“人造太陽”之稱的核聚變實驗裝置“東方超環(huán)”運行條件極其嚴苛。裝置中的偏濾器所扮演的角色就像汽車發(fā)動機的排氣口，核聚變反應的產物需要通過偏濾器排出去。偏濾器不斷承受最為嚴酷的高溫和粒子流的沖擊，瞬態(tài)高溫比火箭噴射的火焰溫度還要高。

“東方超環(huán)”的偏濾器由中國鋼研科技集團有限公司（以下簡稱中國鋼研）所屬安泰科技股份有限公司（以下簡稱安泰科技）研制。法國超導托卡馬克裝置（WEST）所采用的偏濾器也由這家企業(yè)獨家供貨，同時該企業(yè)還是國際熱核聚變實驗堆（ITER）鎢銅偏濾器的關鍵供應商。

以下是一個自主研發(fā)、突破關鍵技術，從跟跑、并跑到實現領跑的“逆襲”故事——

鎢銅復合，偏濾器最理想的材料

早期核聚變裝置主要采用石墨偏濾器，但不能滿足高參數運行的要求。“科學家們逐漸把目光投向鎢這種最耐高溫的金屬，并認為鎢銅復合組件是核聚變裝置偏濾器最理想的選擇。”安泰科技研發(fā)人員秦思貴說。

作為最耐高溫的金屬材料，鎢的熔點是3400多攝氏度，在上億攝氏度高溫之下會熔化甚至揮發(fā)。用鎢包裹著銅，銅的導熱性很強，銅管里再使用冷卻水迅速把熱量帶走。這樣，鎢銅復合材料就能長時間經受高溫等離子體的沖擊。

如何實現鎢銅復合的無縫銜接是關鍵的技術難點。當初，面對國外技術壁壘，“東方超環(huán)”找到了國內在高溫難熔金屬領域首屈一指的研發(fā)生產機構——中國鋼研，并提出了研發(fā)鎢銅偏濾器的需求。

從2008年開始，中國鋼研所屬安泰科技開啟了鎢銅偏濾器的研制之路。

經歷多次失敗，中間幾乎要放棄

安泰科技研發(fā)人員史英麗告訴記者，從材料研發(fā)、復合連接到無損檢測，都是從零開始。研發(fā)沒有說明書和“避坑指南”。項目組只能不斷嘗試和試驗，干起來不分白天黑夜。

史英麗對當時的研發(fā)過程記憶深刻：一次不行，再來一次。失敗后就分析原因，找問題，攻克一個問題，又衍生出新問題。白天搞研發(fā)，晚上頭腦風暴。在很長一段時間內，整個項目組除了睡覺之外幾乎沒有休息。

“中間幾乎覺得要放棄了。”經歷五六輪失敗后，史英麗心里冒出一個聲音：項目是不是進行不下去了？

在最艱難的時刻，公司領導也加入分析討論，根據研發(fā)經驗提出各種方法，對項目組進行啟發(fā)和鼓勵：“我們已經實現了突破，只是還有些不穩(wěn)定因素，能行的。”大家堅持了下來。

最終，項目組充分發(fā)揮公司在金屬材料和金屬擴散連接方面的技術、設備和產業(yè)化優(yōu)勢，開發(fā)出具有自主知識產權的“兩步熱等靜壓擴散焊接”金屬復合技術，實現了鎢銅復合組件高質量異種材料連接。

“相當于我們用三四年的時間，走完了人家十幾二十年的研發(fā)路程。”史英麗感嘆。研發(fā)人員熊寧補充說，項目組不但用很短的時間完成了前期研發(fā)，而且用比國際同行更快的時間實現了高性能核聚變用鎢材料和鎢銅復合組件的批量生產。

復合零缺陷，百分之百無縫銜接

從材料到組裝，前前后后108道工序，項目組研發(fā)出的鎢銅偏濾器巧妙滿足了核聚變裝置的苛刻要求。

“我們做到了鎢銅復合零缺陷，就是百分之百的無縫銜接。因為材料里面只要有一個缺陷，在核聚變裝置如此高溫、苛刻的環(huán)境下，都會快速導致實驗失效。”熊寧說。在研發(fā)基礎上，中國鋼研旗下機構和企業(yè)協同合作，形成一條從材料制備、復合連接到加工制造、無損檢測的完整產業(yè)鏈，在國際上率先實現了聚變用鎢銅偏濾器的批量化生產。

2014年，“東方超環(huán)”在全球率先把核聚變裝置上的石墨偏濾器更換為鎢銅偏濾器。當年，“東方超環(huán)”就創(chuàng)造了新的世界紀錄。經過幾年溝通、驗證，2018年中國鋼研所屬安泰科技成功拿到了WEST項目的制造合同，開始向歐洲出口。

20年前，就已盯準這個研發(fā)方向

為全球主要核聚變實驗裝置鎢銅偏濾器供貨，對于培養(yǎng)了12位院士的中國鋼研來說絕不是運氣和偶然。

“能在全世界把技術做到領先，需要用敏銳的科技目光看到社會發(fā)展需求，提前在戰(zhàn)略上有所準備。”中國鋼研總經理李波接受科技日報記者采訪時說，公司在20年前就已盯準可控核聚變方向，認為這將是全球能源發(fā)展新趨勢，中國鋼研應該發(fā)揮自己的優(yōu)勢融入其中。

緊盯技術發(fā)展前沿，瞄準國家戰(zhàn)略需求，解決冶金行業(yè)共性關鍵技術，這種定位從原鋼鐵研究總院（中國鋼研的前身）1952年成立之時起，就已深深地刻在其基因之中。

李波告訴記者，如今為支撐材料強國建設，中國鋼研的自身定位也在拓展和升級：從重視冶金流程和冶金工藝到越來越重視冶金材料品種的開發(fā)，通過金屬材料助力國家高端裝備和重大工程發(fā)展。

“現在我們的金屬材料研發(fā)已經涵蓋國民經濟各大重點行業(yè)和領域，實現從超低溫金屬到耐高溫金屬基礎材料體系全覆蓋。”李波自豪地說。

從第三代汽車鋼到稀土永磁的組織調控技術，創(chuàng)新可謂是這家企業(yè)的“日常”。對于創(chuàng)新，李波有一套自己的見解。“不能為了原創(chuàng)而原創(chuàng)。”李波認為，就央企而言，原創(chuàng)需要聚焦國家戰(zhàn)略目標，強化任務戰(zhàn)略牽引，解決行業(yè)共性關鍵難題，推動行業(yè)重大進步。不僅要形成原創(chuàng)理論，還要形成原創(chuàng)技術和原創(chuàng)產品，滿足市場需求，經得住市場的檢驗。

“過去70年我們一直是技術創(chuàng)新體系的國家隊和主力軍，未來我們將進一步強化國家戰(zhàn)略科技力量的責任擔當。”李波說。