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[南方能源观察]确认过眼神,中国制造遇上热核聚变

时间:2018-05-15    来源:南方能源观察    点击次数:0     字体:【大】 【中】 【小】    打印本页

      记者 刘文慧

      当法国法马通公司一行参观考察完东方重机生产车间后,他们发现,这家中国核电设备制造商在参与国际热核聚变试验堆(即ITER)的生产过程中,已经取得了欧洲核设备制造相关认证资质。

      2018年初,来自核电设备制造巨擘的橄榄枝伸向了东方重机。

      东方电气子公司,东方电气(广州)重型机器有限公司,成功获得法马通和美国通用电气关于英国欣克利角C核电项目的设备采购订单。

      中国制造遇上ITER热核聚变这一国际大科学工程,其过去近四十年所积累的核电等领域制造能力被激发,而ITER工程也为核聚变能源研究、新材料研制、新工艺研究等带来契机。

18个采购包

      国际热核聚变试验堆(ITER)装置,俗称“人造太阳”。而ITER计划,旨在建造、运行一个托卡马克型受控核聚变实验堆,探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。

      2003年,中国正式以“平等成员”身份加入了ITER计划谈判。20061121日,时任科技部部长徐冠华在法国爱丽舍宫签署ITER计划《联合实施协定》和《特权与豁免协定》。20079月,时任国家主席胡锦涛正式批准了ITER计划的协定,标志着中国正式加入了ITER计划。

      作为ITER七方的成员之一,中国也争取和承担了相应份额的ITER采购包任务。实际上,采购包谈判是ITER计划谈判中的重头之一。

      “尽管我们对托卡马克装置有研究,但ITER将是第一个电站规模的核聚变实验堆。我们根据经验,判断哪些是关键技术,尤其是未来聚变整堆工程所必需的技术,从而去争取相关核心部件。有些核心部件技术过去我们没研发过,但以后建堆必须具备。”中核集团西南物理研究院副院长段旭如介绍,“当然,谈判是一个博弈的过程,各方都积极争取承担核心部件采购包的制造任务,与此同时各方也要做出适当让步。”

      最终,中方确认承担的ITER采购包任务有18个,包括极向场与环向场线圈导体、包层第一壁与包层屏蔽块、脉冲高压变电站、诊断系统等。

      科技部直属的中国国际核聚变能源计划执行中心(简称中国ITER执行中心)负责落实ITER采购包国内加工制造任务,遵照《政府采购法》、《招标投标法》和政府采购管理的相关法律法规,进行招标采购。

      这些部件多是首次制造,对参与方来说,唯一可以参考的就是设计图纸。从图纸到实物,再到合格认证件,需要针对性进行技术研发和工艺设计方案研究。据介绍,科技部投入4.67亿元用于采购包关键技术与瓶颈技术的研发。

      以东方重机为例,其承担ITER计划中中方采购包任务全部220件各型包层屏蔽模块、部分磁体支撑等制造任务。2009年,东方重机开始协助西南物理研究院研制包层屏蔽模块,历经五年基本掌握关键技术、解决关键工艺等问题,2016年开始包层屏蔽模块全尺寸实验件的制造,直到2018316日,东方重机最终完成包层屏蔽模块全尺寸实验件的研制任务。

      整个研制过程,耗时将近10年。

      业内人士透露,ITER采购包合同对于制造企业而言,经济效益上的贡献并不大,单靠一个项目无法发挥规模效应。对这些制造企业而言,承担ITER采购包的意义更在于提升材料研发、工艺设计、装备制造能力以及企业跨国项目管理运作能力。

      “在参与ITER计划的这十年中,我国在相关领域开展了广泛深入高水平国际合作,融入了全球聚变研究的合作网络,推动了我国聚变科技以及产业的快速发展。例如超导线材、超导磁体低温技术等方面,我们已拥有了国际先进的研发或生产,在服务ITER计划同时也带动了这些领域及相关行业的技术升级。”在ITER十周年活动上,中科院副院长、中科院院士张杰感慨道。

      2015年,中国第一个采购包顺利交付,并实现了百分之百国产化,产品质量满足项目技术要求。

      “计划外”的合同

      2016年,在已确定的18个采购包任务外,中国中标ITER组织部件制造合同。

      20165月,经国家科技部推荐,中广核工程公司牵头天沃科技组建联合体参与了ITER项目的VST设计供货项目的国际招标,最终从来自意大利、西班牙、俄罗斯和印度等国家的众多竞争对手中脱颖而出,成功中标。

      这是一份“计划外”的合同。据介绍,这一份合同原本属于欧盟的部分采购包,但因采购包参与方难以完成,进而另外招标。

      “VST设计供货项目涉及法国核压内溶剂制造标准的执行,工艺要求严格,检测标准高,法国本土企业也没有把握按时保证完成,ITER组织选择了中方,充分体现了对中方工作的肯定与信任。”罗德隆表示。

      2018128日,VST设计供货项目的4台不锈钢蒸汽冷凝罐顺利装船,运往法国。这是中国企业首次竞标中标ITER项目并完成设计制造。

      联合项目团队负责人、中广核工程公司设计院副院长高峰表示,项目的顺利交货充分展示了中国企业在设备制造、项目管理上的能力。据介绍,这4VST设备共焊接163个接管,设备环焊缝总长超过400米,交货周期仅为15个月,是同类型核电设备交货周期的一半左右。

      “我国确定核能三步走战略,不管聚变堆还是裂变堆,都是核能发展的重要一步。没有现在核电(裂变堆)发展的经验,聚变能的应用需走更长的路。”聚变堆研究领域的专家表示。

      “中国裂变堆的发展有助于聚变发展,比如核材料。聚变从无到有,涉及到哪些安全问题,核电对之有很多参考。如果未来聚变达到目标,建立商用堆,核电站的安全管理也值得借鉴。”

      美国、欧洲、日本的大部分核电站建于上世纪六七十年代,近年来核电项目建设较少,而80年代才开始建核电站的中国主要核电建设期集中在近四十年。这使中国在核电设备产业链、项目建设管理、人才队伍培养上,具有一定相对优势。

      东方重机加工工艺部部长刘远彬告诉eo记者,虽然ITER项目也属于民用核设施,但由于是全新的、从无到有的产品,其部件生产管理缺乏对应的成熟管理体系。在实际生产中,ITER计划中涉核设备沿用核质保程序进行管理。

      与常规电力设备生产不同的是,核电设备生产过程得遵循核质保程序。“常规电力设备生产中处理起来相对比较灵活,因为设计权放到制造厂,制造厂处理过程相对快速,程序要求没那么严格,控制步骤也没有那么多。”东方重机的母公司东方电气是发电设备制造和电站工程总承包企业,拥有多类电力设备研制能力,刘远彬工作早年曾接触过燃煤锅炉制造。

      建立完善的质量保障体系,光人员数量要求就很高,可以达到常规电力设备制造车间所需的8倍。在东方重机的核设施生产部门,质量管理人员接近两百名,数量仅次于车间工作人员。

      而按照完善的核质保程序生产设备,所耗费的质量管理成本及工期也远超常规电力设备。刘远彬介绍:“核电设备制造到一个阶段就得停下来,因为有很多检查点,分为H点(hold)和W点(witness),整个过程都受控。焊接过程需要见证,检验过程需要见证。许多关键点必须等见证者(核安全局人员、业主单位)来见证,之后才能继续往下做。而且国内现在检查越来越严。”

      带动中国制造

      在广州南沙东方重机的车间里,三台大型设备专门服务于ITER项目。除了大型设备的投入,团队还依托本项目研制了一些专用的设施和工具。

      包层屏蔽模块是ITER核聚变反应堆中最关键的部件之一,用于屏蔽聚变反应中的中子流。表面上看,包层屏蔽模块并不奇特,但在模块内部,布满了270多个孔,贯通形成流,就像一块钢材做成的冻豆腐。

      “这些孔大小、方位各异,且定位精度要求非严苛,只能一次成功。我们为此专门研制了各自由度无级可调打孔的工具,模块加工前的原材料重10吨左右,加工完成品只剩2吨多。”刘远彬向eo记者介绍。

      除了孔,屏蔽模块还要求电磁切断窄缝加工。韩国的采购包也遇到类似加工要求,目前尚未攻克。东方重机ITER包层屏蔽模块攻关组为此开发了专用的窄缝设备。

      “大型设备选型、开发小型专有设施、加工方法、理念……可以说,我们通过ITER项目积累了很多经验。”刘远彬表示,“投入是有回报的,通过投入,我们以后就知道从哪里入手。这些经验,对非ITER计划设备的研制也有借鉴作用,比如核电小型堆。”

      ITER计划多国合作的方式,对东方重机海外知名度的提升发挥了相当作用。当外国专家、相关企业代表参观东方重机ITER相关产品和车间时,发现东方重机已经取得欧洲核设备制造相关认证资质。

      “因为ITER包层屏蔽模块制造标准是按照欧洲标准。为了配合项目,我们的焊工资质、无损监测资质按EN标准取得了相关资质证书。”刘远彬介绍。

      这为核电设备“走出去”创造了技术条件。

      2017年,东方重机成为法国电力公司(EDF)在中国的首家核电产品合格供应商,其自主研制出口欧洲的中国首台核电低压加热器成功发运。2018年年初,东方重机获得英国欣克利角C核电项目设备采购订单。

      超导材料的突破则是另一范例。

      ITER装置采用环向场导体低温超导股线,为高温等离子体提供约束磁场,所用Nb3Sn股线约含5000~12000根芯丝,芯丝平均直径仅7微米,约为头发丝直径的十分之一。

      负责低温超导材料研发的是西部超导材料科技股份有限公司(简称“西部超导”)。2003年成立不久,西部超导即承担了国家级超导材料研发任务。

      据《城市经济导报》报道,在中国正式加入ITER计划后,西部超导生产的NbTiNb3Sn相关导体短样先后成功通过了Sultan实验室的认证测试。此后得到了法国ALSTOM公司的合作支持,完善批量化生产质量控制体系,同时,开发了导体结构设计、大尺寸包套焊接挤压、单根万米级股线集束拉拔加工等一系列关键技术,获得了自主知识产权的ITERNbTi/Cu超导线材制备技术并实现批量化生产。

      20123月,西部超导正式启动向ITER计划批量供货。但更为重要的是,研制工作对中国NbTi超导合金的研发起到推动作用,该材料可用于航空等领域。

      目前,ITER计划中方采购包人物实施涉及40家重要的一级和二级供应商,分布在17个省份,其中负责加工制造的供应商26家,运输质量管理等配套服务类的供应商14家,如果从供应链角度分析,参加ITER计划的中方相关单位超过百家。

      根据中国ITER执行中心开展的ITER宏观经济效应调研分析结果,ITER计划执行为中国聚变工程的技术提升与产业化提供了一个重要的契机。中心主任罗德隆介绍:“在这个工程中,中国开始了围绕ITER采购包任务的产业化进程,逐步构建了比较稳定和有序的研究院所与企业之间上下合作关系,从而为相关产业研发能力和制造水平的提升创造了条件。”

      (注:本文缩写自《南方能源观察》20185月刊封面报道《热核聚变在中国》,作者为eo记者刘文慧,欢迎加微信交流:imemeda。《中国改革报》记者李亮子对该报道亦有贡献。)

      ITER计划,被视为科技领域构建人类命运共同体的方略和具体行动。2007年,中国正式加入ITER计划,至今已逾十年。中国为何加入ITER计划?它曾引起怎样的争议?这样一项国际大科学工程在实施过程中又遭遇怎样的曲折?中国在ITER计划中如何发挥作用,又怎样受益于项目?核聚变被多国视为未来终极能源,各国又有怎样的路线?

 

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