科技日報(bào)記者 劉園園
去年5月,國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置(“東方超環(huán)”)傳來捷報(bào):實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行,再次創(chuàng)造托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。
有“人造太陽”之稱的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“東方超環(huán)”運(yùn)行條件極其嚴(yán)苛。裝置中的偏濾器所扮演的角色就像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口,核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物需要通過偏濾器排出去。偏濾器不斷承受最為嚴(yán)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(tuán)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(dǎo)托卡馬克裝置(WEST)所采用的偏濾器也由這家企業(yè)獨(dú)家供貨,同時(shí)該企業(yè)還是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)鎢銅偏濾器的關(guān)鍵供應(yīng)商。
以下是一個(gè)自主研發(fā)、突破關(guān)鍵技術(shù),從跟跑、并跑到實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑的“逆襲”故事——
“東方超環(huán)”反應(yīng)室(圖片由中國鋼研提供)
鎢銅復(fù)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(shù)運(yùn)行的要求?!翱茖W(xué)家們逐漸把目光投向鎢這種最耐高溫的金屬,并認(rèn)為鎢銅復(fù)合組件是核聚變裝置偏濾器最理想的選擇?!卑蔡┛萍佳邪l(fā)人員秦思貴說。
作為最耐高溫的金屬材料,鎢的熔點(diǎn)是3400多攝氏度,在上億攝氏度高溫之下會(huì)熔化甚至揮發(fā)。用鎢包裹著銅,銅的導(dǎo)熱性很強(qiáng),銅管里再使用冷卻水迅速把熱量帶走。這樣,鎢銅復(fù)合材料就能長時(shí)間經(jīng)受高溫等離子體的沖擊。
如何實(shí)現(xiàn)鎢銅復(fù)合的無縫銜接是關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)初,面對國外技術(shù)壁壘,“東方超環(huán)”找到了國內(nèi)在高溫難熔金屬領(lǐng)域首屈一指的研發(fā)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)——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。
中國鋼研所屬安泰科技研制的鎢銅復(fù)合組件(科技日報(bào)記者 劉園園 攝)
經(jīng)歷多次失敗,中間幾乎要放棄
說易行難。安泰科技研發(fā)人員史英麗告訴記者,從材料研發(fā)、復(fù)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(xiàng)目組只能不斷嘗試和試驗(yàn),干起來不分白天黑夜。
史英麗對當(dāng)時(shí)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(gè)問題,又衍生出新問題。白天搞研發(fā),晚上頭腦風(fēng)暴。在很長一段時(shí)間內(nèi),整個(gè)項(xiàng)目組除了睡覺之外幾乎沒有休息。
“中間幾乎覺得要放棄了?!苯?jīng)歷五六輪失敗后,史英麗心里冒出一個(gè)聲音:項(xiàng)目是不是進(jìn)行不下去了?
在最艱難的時(shí)刻,公司領(lǐng)導(dǎo)也加入分析討論,根據(jù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)提出各種方法,對項(xiàng)目組進(jìn)行啟發(fā)和鼓勵(lì):“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破,只是還有些不穩(wěn)定因素,能行的?!贝蠹覉?jiān)持了下來。
最終,項(xiàng)目組充分發(fā)揮公司在金屬材料和金屬擴(kuò)散連接方面的技術(shù)、設(shè)備和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“兩步熱等靜壓擴(kuò)散焊接”金屬復(fù)合技術(shù),實(shí)現(xiàn)了鎢銅復(fù)合組件高質(zhì)量異種材料連接。
“相當(dāng)于我們用三四年的時(shí)間,走完了人家十幾二十年的研發(fā)路程?!笔酚Ⅺ惛袊@。研發(fā)人員熊寧補(bǔ)充說,項(xiàng)目組不但用很短的時(shí)間完成了前期研發(fā),而且用比國際同行更快的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了高性能核聚變用鎢材料和鎢銅復(fù)合組件的批量生產(chǎn)。
中國鋼研所屬安泰科技研制的鎢銅復(fù)合組件2(科技日報(bào)記者 劉園園 攝)
復(fù)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(xiàng)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(fù)合零缺陷,就是百分之百的無縫銜接。因?yàn)椴牧侠锩嬷灰幸粋€(gè)缺陷,在核聚變裝置如此高溫、苛刻的環(huán)境下,都會(huì)快速導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失效。”熊寧說。在研發(fā)基礎(chǔ)上,中國鋼研旗下機(jī)構(gòu)和企業(yè)協(xié)同合作,形成一條從材料制備、復(fù)合連接到加工制造、無損檢測的完整產(chǎn)業(yè)鏈,在國際上率先實(shí)現(xiàn)了聚變用鎢銅偏濾器的批量化生產(chǎn)。
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(dāng)年,“東方超環(huán)”就創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。經(jīng)過幾年溝通、驗(yàn)證,2018年中國鋼研所屬安泰科技成功拿到了WEST項(xiàng)目的制造合同,開始向歐洲出口。
中國鋼研所屬安泰科技研制的鎢銅復(fù)合組件3(科技日報(bào)記者 劉園園 攝)
20年前,就已盯準(zhǔn)這個(gè)研發(fā)方向
為全球主要核聚變實(shí)驗(yàn)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(yùn)氣和偶然。
“能在全世界把技術(shù)做到領(lǐng)先,需要用敏銳的科技目光看到社會(huì)發(fā)展需求,提前在戰(zhàn)略上有所準(zhǔn)備?!敝袊撗锌偨?jīng)理李波接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)說,公司在20年前就已盯準(zhǔn)可控核聚變方向,認(rèn)為這將是全球能源發(fā)展新趨勢,中國鋼研應(yīng)該發(fā)揮自己的優(yōu)勢融入其中。
緊盯技術(shù)發(fā)展前沿,瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略需求,解決冶金行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù),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(shí)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(qiáng)國建設(shè),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。
中國鋼研所屬安泰科技研制的鎢銅復(fù)合組件4(科技日報(bào)記者 劉園園 攝)
“現(xiàn)在我們的金屬材料研發(fā)已經(jīng)涵蓋國民經(jīng)濟(jì)各大重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)從超低溫金屬到耐高溫金屬基礎(chǔ)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(diào)控技術(shù),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?!安荒転榱嗽瓌?chuàng)而原創(chuàng)。”李波認(rèn)為,就央企而言,原創(chuàng)需要聚焦國家戰(zhàn)略目標(biāo),強(qiáng)化任務(wù)戰(zhàn)略牽引,解決行業(yè)共性關(guān)鍵難題,推動(dòng)行業(yè)重大進(jìn)步。不僅要形成原創(chuàng)理論,還要形成原創(chuàng)技術(shù)和原創(chuàng)產(chǎn)品,滿足市場需求,經(jīng)得住市場的檢驗(yàn)。
“過去70年我們一直是技術(shù)創(chuàng)新體系的國家隊(duì)和主力軍,未來我們將進(jìn)一步強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量的責(zé)任擔(dān)當(dāng)?!崩畈ㄕf。
點(diǎn)評 當(dāng)我們把目光投向創(chuàng)新和科研一線,會(huì)發(fā)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)的含義瞬間具體、豐富起來,而絕非一句口號??萍甲粤⒆詮?qiáng)要有目標(biāo)、有方向,瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略需求,解決行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù);要有勇氣、有魄力,敢于在重重困難之中,走上自主創(chuàng)新之路;要有智慧、有策略,懂得運(yùn)用多年研發(fā)積累,進(jìn)一步碰撞出新的火花;要有毅力、有拼勁,再苦再累,也要把“硬骨頭”啃下去?!皷|方超環(huán)”鎢銅偏濾器的研發(fā),就是這樣一個(gè)例子。