何開輝,羅德隆,王 敏,陶 強,于 芳,龐 博

(中國國際核聚變能源計劃中心，北京 100037)

1 ITER計劃總體進展

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是規(guī)模僅次于國際空間站的大科學(xué)工程國際合作計劃，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國七方三十多個國家共同參與ITER裝置的建造和下一步實驗運行，其目標是驗證和平利用核聚變能的科學(xué)和工程技術(shù)可行性，為下一步核聚變能源商業(yè)化應(yīng)用探索道路[1]。鑒于其原理的相似性，受控核聚變能又被稱為“人造太陽”，是全球核聚變?nèi)艘淮恿Ρ寂埽铝τ谡樟寥祟愇磥淼睦硐虢K極能源。

1.1 ITER國際組織最新管理結(jié)構(gòu)概況

ITER國際組織(IO)成立于2007年10月，第三任暨現(xiàn)任總干事伯納德·比戈(Bernard Bigot)的新一屆任期從2020年3月開始。去年得到理事會批準后，總干事提出ITER計劃從工程/制造為重點的制造階段向裝配、安裝和建造階段轉(zhuǎn)變，并根據(jù)現(xiàn)階段任務(wù)重心提出了新的治理架構(gòu)，主要包括： (1)建造施工部(CNST)：現(xiàn)階段的核心部門，負責IO與各成員方執(zhí)行機構(gòu)(DA)一起完成2025年第一等離子體(2025FP)所需設(shè)備/部件的制造/質(zhì)量/經(jīng)費/進度/交付和安全存儲，以及設(shè)備/部件的裝配、安裝直至調(diào)試準備就緒。主要工作包括ITER主機、托卡馬克綜合樓和現(xiàn)場設(shè)施的組裝和安裝。CNST由主機建造司、堆工建造司和施工管理辦公室組成。(2)科學(xué)運行部(SCOP)：該部門致力于與國際聚變界的科學(xué)和技術(shù)單位、專家接洽，負責調(diào)試和聯(lián)調(diào)2025FP運行所需的設(shè)備/部件和系統(tǒng)；負責已經(jīng)在ITER現(xiàn)場安裝的所有設(shè)備和系統(tǒng)的運行、保存和維護。SCOP參與國際托卡馬克物理活動、激勵I(lǐng)TER科學(xué)家成員網(wǎng)絡(luò)、ITER運行網(wǎng)絡(luò)和訪問學(xué)者計劃等活動。SCOP設(shè)科學(xué)、控制與運行司，下設(shè)科學(xué)處、控制處和運行處。(3)工程管理部(ENGN)：該部門主要負責系統(tǒng)集成和設(shè)計固化。它與各方DA一起通過分階段方法，負責2025FP后至2035年滿聚變功率運行期間所需安裝的設(shè)備/部件的設(shè)計與制造的持續(xù)工程活動。在未來幾年，其主要工作范圍除了整個項目的配置管理、設(shè)計和施工、物理和功能集成，還包括固化設(shè)計、監(jiān)督制造、配合2025FP至滿聚變功率期間所運行設(shè)備的要求。 (4)事業(yè)管理部(CORP)：該部門為ITER計劃提供支撐和資源協(xié)調(diào)，包括財務(wù)資源、人力資源、信息技術(shù)資源和外部供應(yīng)資源，并按照ITER理事會批準的章程負責項目績效管理。CORP由項目控制辦公室、財務(wù)與采購司、人力資源司和信息技術(shù)處組成。除了以上四個部外，ITER組織還專門設(shè)立了安全和質(zhì)量司、總干事辦公室及內(nèi)部審計處，獨立向總干事匯報工作。圖1是ITER組織最新管理結(jié)構(gòu)，已于2020年1月1日起正式實施。

圖1 ITER國際組織最新管理結(jié)構(gòu)Fig.1 ITER organizational structure(from 1st Jan.2020)

1.2 ITER國際組織項目管理進展

IO和各方DA致力于實現(xiàn)2025FP，通過優(yōu)化建造施工策略(RCS)，科學(xué)監(jiān)控項目進度，穩(wěn)步推進項目實施。長期以來，項目自身各方面的復(fù)雜性及眾多關(guān)鍵部件首次研制(First of a Kind，F(xiàn)OAK)的特性為項目推進和進度控制帶來了持續(xù)的、前所未有的挑戰(zhàn)。特別是新冠肺炎疫情(COVID-19)在全球范圍的蔓延更對ITER項目的實施產(chǎn)生了直接和間接的影響，IO及各成員方政府、執(zhí)行機構(gòu)以及采購包制造任務(wù)承擔單位均受到不同程度的波及。面對不利局勢，在理事會輪值主席、科技部核聚變中心羅德隆主任的全面指導(dǎo)下、伯納德·比戈總干事的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下，ITER項目上下團結(jié)協(xié)作、緊密配合，在ITER理事會關(guān)鍵里程碑(ICM)、FOAK部件制造交付以及樓宇建設(shè)、現(xiàn)場施工、主機安裝方面均取得了重大進展，展現(xiàn)了“同一個ITER”(“One ITER Team”)的團結(jié)協(xié)作精神。

2020年6月，總干事在第二十六屆理事會(IC-26)會議上全面匯報了RCS實施進展、各方取得的突破性進展，以及實現(xiàn)2025FP相關(guān)任務(wù)可能面臨的困難和挑戰(zhàn)[2]。報告指出，ITER項目實現(xiàn)2025FP的相關(guān)任務(wù)完成率近70%。部件制造及現(xiàn)場施工方面均取得了關(guān)鍵進展：托卡馬克大廳與裝配大廳之間的重型吊裝機械工程已于2020年3月完成；由韓國承擔的首個真空室(VV#6)部件已于2020年5月完成制造工作，并于7月運抵ITER現(xiàn)場；環(huán)向場線圈(TFC)方面，日本及歐盟各自承擔的首個部件(#12、#9)均已于4月交付運抵ITER現(xiàn)場，日本承擔的第二個部件(#13)也已完成制造任務(wù)并啟運；極向場線圈(PFC)方面，由中科院等離子體物理研究所(ASIPP)通過國際競標承擔的歐盟6號部件(PF6)也已于6月順利運抵ITER現(xiàn)場。這些里程碑進度位于項目關(guān)鍵路徑上，絕大部分都是FOAK部件首個交付，對掌握規(guī)律，提振信心意義重大。

這些矚目成績的取得體現(xiàn)了ITER成員方政府的持續(xù)支持、IO和各方DA“疫中”的頑強拼搏以及設(shè)計、制造、生產(chǎn)、測試、檢驗、包裝、運輸、交付、存儲全鏈條項目生命周期(PLM)管理能力。技術(shù)瓶頸的不斷攻克，各方面經(jīng)驗的積累，使得項目進度的成熟度、項目管理水平顯著提高。然而，由于個別成員方現(xiàn)金貢獻拖欠、個別產(chǎn)品質(zhì)量問題的持續(xù)涌現(xiàn)，以及COVID-19的深度影響，必將對項目總進度、總經(jīng)費帶來較大的不確定性。這需要IO與各方DA更加緊密合作，直面疫情影響，力挽狂瀾，繼續(xù)在采購包部件制造和施工裝配方面集中全部力量，在嚴格的技術(shù)要求下使項目保持強勁推進的勢頭，努力實現(xiàn)項目早日竣工。

1.3 PF6線圈進展

2020年6月26日，ASIPP承接的ITER極向場6號超導(dǎo)線圈(簡稱“PF6線圈”)運抵ITER現(xiàn)場。PF6線圈主要功能是建立ITER裝置所需的強磁場約束等離子體位形，屬于極具有技術(shù)挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一，其外徑11.5 m，高2.5 m，總重近400 t，是關(guān)系ITER裝置正常運行的最重要線圈之一，也是目前國際上研制成功的重量最大、難度最高的超導(dǎo)磁體。該采購包最初由歐盟承擔，但由于研制生產(chǎn)嚴重超期，經(jīng)IO認可，2013年緊急組織對PF6線圈研制生產(chǎn)任務(wù)進行國際招標。最終，ASIPP競標成功，實現(xiàn)了我國承接ITER大型超導(dǎo)線圈項目制造的最初意愿。同時，中方國內(nèi)單位通過公開競標方式承接其他成員方實物貢獻項目的做法，也開創(chuàng)了ITER計劃實施期間成員方間任務(wù)合作的新模式。

在PF6線圈生產(chǎn)制造期間，等離子體所面對諸多技術(shù)風險、嚴苛的產(chǎn)品測試要求以及COVID-19全球大流行等特殊情況，堅持對產(chǎn)品技術(shù)、質(zhì)量的極致追求，齊心協(xié)力、從嚴要求，所有關(guān)鍵制造工藝及部件全面實現(xiàn)國產(chǎn)化，一次性通過ITER國際組認證，制造合格率達到100%。最終，PF6線圈生產(chǎn)制造的圓滿完成和順利交付，為實現(xiàn)ITER計劃2025FP奠定了重要基礎(chǔ)，也讓“中國方案”和“中國制造”更加深入地應(yīng)用于國際大科學(xué)工程管理中。同時，我國也藉此掌握了大型超導(dǎo)磁體制造的系列核心技術(shù)，成功打破技術(shù)壁壘，發(fā)展和完善了國內(nèi)聚變工程領(lǐng)域超導(dǎo)磁體的制造標準及相關(guān)規(guī)范，為我國未來工程聚變堆超導(dǎo)磁體研發(fā)奠定了堅實的工程實踐基礎(chǔ)，也進一步拓展了中歐核聚變能源領(lǐng)域合作的深度和廣度。

1.4 TAC-1安裝進展

經(jīng)過艱苦努力，中核集團中國核電工程有限公司牽頭的中法聯(lián)合體(包括中核二三公司、核工業(yè)西南物理研究院、等離子體所和法國法馬通公司)依靠強大的技術(shù)實力成功中標并于2019年9月與ITER國際組織簽訂ITER主機安裝一號合同(TAC-1)。這為我國進入歐洲核能領(lǐng)域的工程建造市場提供了良好契機，也為我國后續(xù)自主建造聚變反應(yīng)堆奠定了基礎(chǔ)。

ITER作為目前世界上最大的聚變反應(yīng)堆實驗工程，是典型的“新材料、新技術(shù)、新工藝”的“三新”工程，其復(fù)雜程度和技術(shù)難度都超過了已經(jīng)大量建造運行的裂變反應(yīng)堆。TAC-1安裝工程沒有可借鑒的成熟經(jīng)驗，其重大的技術(shù)挑戰(zhàn)包括大尺寸和/或大重量部件吊裝、高真空或超高真空部件安裝、超導(dǎo)部件裝配和連接等。TAC-1安裝標段工程是ITER托卡馬克裝置最重要的核心設(shè)備安裝工程，其重要性相當于核電站的反應(yīng)堆、人體的心臟，主要工作是為杜瓦結(jié)構(gòu)的安裝以及杜瓦結(jié)構(gòu)和真空容器之間所有系統(tǒng)的安裝。杜瓦底座是ITER托卡馬克裝置“心臟”安裝工作的第一個重大組件，是托卡馬克裝置所有重要設(shè)備的基礎(chǔ)，承擔著重要安全屏障的作用，其安裝精度、進度都對主體結(jié)構(gòu)及重要部件安裝產(chǎn)生重要影響，屬于ITER項目進度中的“黃金節(jié)點”，是TAC-1第一個重要工程節(jié)點。除了技術(shù)上的難度，還不得不面對突如其來的疫情考驗，在嚴峻挑戰(zhàn)下，中法聯(lián)合體一手抓疫情防控，一手抓安全生產(chǎn)，ITER重達1250 t的杜瓦底座于2020年5月28日平穩(wěn)落位于托卡馬克裝置基坑內(nèi)臨時支撐上，杜瓦底座吊裝工作圓滿完成，正式拉開了ITER主機安裝的序幕。伯納德·比戈總干事在吊裝現(xiàn)場的講話中再次重申了杜瓦底座吊裝的重要意義，并充分肯定了此次吊裝的各項準備工作。在IC-26上，理事會主席和各方政府代表團團長都對包括杜瓦底座成功安裝在內(nèi)的重大項目進展表示祝賀并贊賞在總干事統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下為推進項目實施的艱辛努力！2020年7月28日，ITER計劃重大工程安裝啟動儀式隆重召開，習(xí)近平總書記在賀信中指出：國際熱核聚變實驗堆計劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望，計劃實施以來，中方始終恪守國際承諾，這個企業(yè)和科研人員勇挑重擔，與國際同行齊心協(xié)力，為計劃的順利推進高效率中國智慧和中國力量。十多年來的積極探索和實踐充分證明，開放交流是探索科學(xué)前沿的關(guān)鍵路徑。

2 ITER計劃專項國內(nèi)進展

2007年，國務(wù)院批準設(shè)立ITER計劃專項，代表我國對外履行ITER計劃《聯(lián)合實施協(xié)定》的承諾和對內(nèi)開展磁約束核聚變能源研發(fā)的雙重任務(wù)。

2.1 ITER計劃中方采購包進展

截至2020年上半年，環(huán)向場超導(dǎo)導(dǎo)體、矯正場及磁體饋線超導(dǎo)導(dǎo)體、極向場線圈超導(dǎo)導(dǎo)體和高壓變電站材料四個采購包已完成所有生產(chǎn)和交付任務(wù)?？傮w來看，中方采購包合同采購高峰期已過。功能型采購包設(shè)計工作陸續(xù)完成，部分已啟動制造與集成任務(wù)的采購。其中輝光放電(GDC)采購包臨時電極和電源及控制系統(tǒng)和氣體注入(GIS)采購包閥門箱及控制系統(tǒng)兩個功能型采購包的初步設(shè)計評審已完成，并進入最終設(shè)計評審階段；診斷采購包也處于類似階段。處于認證和生產(chǎn)準備階段的任務(wù)不多，僅矯正場線圈、饋場線圈和第一壁采購包有這方面任務(wù)。在制造交付方面，今年仍處于高峰階段：饋場線圈、磁體支撐、電源變壓器和安裝輔件、GIS復(fù)合管道和診斷等采購包持續(xù)交付中。饋場線圈采購包是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型繁多，目前處于制造和交付的中堅階段；矯正場線圈采購包持續(xù)開展制造和驗收，并于9月開展啟運儀式；磁體支撐(GS)采購包總體制造任務(wù)完成90%～95%，預(yù)計年內(nèi)交付完畢；屏蔽模塊(SB)持續(xù)開展鍛件制造和模塊加工制造工作。在采購包制造任務(wù)實施過程中，有個別采購包受中美芯片禁運影響，制造和測試任務(wù)晚于預(yù)期，但最終靠自主研發(fā)完成了制造任務(wù)。由于ITER計劃的FOAK特性，中方多個采購包時常出現(xiàn)設(shè)計變更，導(dǎo)致項目進度的不確定。中方采購包任務(wù)總體實際完成量達到71.24%。

十多年來，中方ITER計劃穩(wěn)步實施，得到ITER組織和部分成員方的高度認可。中方開展了一系列研發(fā)創(chuàng)新，攻克了很多關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)和卡脖子技術(shù)，積累了大量的生產(chǎn)制造經(jīng)驗，帶動了眾多產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，在很多領(lǐng)域填補了國內(nèi)空白，縮小了與世界發(fā)達國家之間的差距，還為各領(lǐng)域培養(yǎng)了大批人才，提升了國際競爭力和綜合國力。通過知識產(chǎn)權(quán)的積累和核聚變專項標準的制定，為我國下一步自主研究聚變堆奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.2 ITER計劃國內(nèi)研究專項進展

ITER計劃國內(nèi)研究專項的目標，不僅要使我國能在ITER裝置建成后掌握其主要技術(shù)，又要在運行階段有效參加ITER裝置上的實驗研究，還要加強聚變物理基礎(chǔ)研究和人才培養(yǎng)，以期能逐步獨立開展核聚變能示范堆的設(shè)計和研發(fā)。

在國內(nèi)研究方面，以ITER計劃專項為例，從2008年中心成立以來，支持的國內(nèi)磁約束聚變研發(fā)項目多達160個，總經(jīng)費約52億。來自中科院等離子體物理所、核工業(yè)西南物理研究院、中國科技大學(xué)、中國工程物理研究院、華中科技大學(xué)等48家科研院所、高等院所和企業(yè)累計承擔了600多個課題研究任務(wù)。

加入ITER計劃以來，我國在磁約束核聚變、等離子體物理科學(xué)、實驗、工程和材料技術(shù)方面得到了全面發(fā)展。在等離子體輔助加熱和電流驅(qū)動模擬，邊界等離子體理論和模擬，等離子體湍流輸運和不穩(wěn)定性研究，計算機模擬程序開發(fā)等方面取得了長足進展；在高負載遙操作樣機制備、中性束注入、全鎢偏濾器研制等方面實現(xiàn)了開創(chuàng)性的突破；在材料工程領(lǐng)域，我國導(dǎo)體采購包中的低溫超導(dǎo)股線實現(xiàn)100%國產(chǎn)化，研發(fā)能力和工業(yè)化生產(chǎn)國際領(lǐng)先，第一壁使用的高純鈹材制造技術(shù)與美國同處于國際領(lǐng)先水平。

針對未來可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略，科技部組織專家提出了“中國磁約束聚變研究發(fā)展路線圖”?；贗TER技術(shù)路線，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)實驗堆—示范堆—原型堆的技術(shù)跨越，目標在21世紀30年代，建成200 MW的中國聚變工程實驗堆(CFETR)[3]，與ITER形成互補，將是世界首個可以發(fā)電的聚變工程示范堆，重點圍繞聚變堆穩(wěn)態(tài)運行和氚自持等未來聚變堆最重要的科學(xué)技術(shù)問題開展科學(xué)實驗；在21世紀40年代完成中國聚變工程實驗堆升級，開展1000 MW的穩(wěn)態(tài)示范堆相關(guān)的科學(xué)工程實驗研究；在21世紀50年代開展中國聚變示范原型堆的建設(shè)和科學(xué)工程實驗研究，為獨立自主的發(fā)展一條適合我國國情的聚變能發(fā)展計劃奠定堅實的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

CFETR設(shè)計工作開始于2011年，磁約束聚變堆總體設(shè)計組的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下于2014年完成了工程概念設(shè)計。目前，正在開展CFETR工程設(shè)計，并完成了相關(guān)的熱室、建筑布局、廠房結(jié)構(gòu)和基建設(shè)計。與ITER相比，CFETR在科學(xué)問題上主要解決燃燒等離子體的穩(wěn)態(tài)控制、氚的循環(huán)與自持、聚變能輸出等ITER未涵蓋而未來聚變電站必需的內(nèi)容；在工程技術(shù)與工藝上重點研究聚變堆材料、聚變堆包層及聚變能發(fā)電等ITER不能開展的工作。2017年11月“ITER十年回顧與展望會”上，來自20多個國家的40多位國際磁約束核聚變專家聯(lián)合簽署了《北京聚變宣言—支持中國聚變能源發(fā)展》，支持中國牽頭建設(shè)中國聚變工程實驗堆CFETR?！缎浴贩Q：過去十年中國核聚變事業(yè)不斷拓展且飛速進步，這得益于中國政府的大力支持和中國核聚變學(xué)界的不懈努力以及活躍的國際合作。中國正在發(fā)展一個雄心勃勃的計劃CFETR，旨在建起ITER和未來核聚變電廠之間的橋梁。CFETR將為世界提供關(guān)鍵的能力，以開發(fā)和實驗未來商用電廠所需的關(guān)鍵元素。

十年來，我們鍛煉了一支具有國際化視野的工程技術(shù)人才隊伍，錘煉了一支具有國際大科學(xué)工程管理能力的專業(yè)人才隊伍，磨煉了一支深諳國際交流談判的國際化人才隊伍。在國際職員方面，經(jīng)過十年的不懈努力，ITER組織中方職員由初期的16名增至現(xiàn)在的85名，躍居除歐盟外六方之首。國際職員比例由早期的4%穩(wěn)步曾至目前的9.4%，遠超排名第二位的美國近4個百分點。中方職員遍及ITER組織所有部門，是支撐ITER國際組織日常運行的重要力量。這也進一步說明了我們國內(nèi)和國際人才培養(yǎng)兩手抓取得了實際效果。

聚變產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)化發(fā)展離不開配套標準體系建設(shè)。2008年開始，我國開展了核聚變專項標準研究工作，并建立了核聚變標準體系。2017年以來已正式發(fā)布了兩批40多項核聚變采購包專項標準。目前標準編制意向多達100項，國家核能標準化委員會核聚變分委會的建立呼之欲出。

2.3 磁約束核聚變領(lǐng)域雙邊多邊國際合作進展

我國在磁約束核聚變能研發(fā)國際合作方面成效顯著。中國先后與美國、日本、韓國、ITER組織、歐盟、俄羅斯、法國簽署了核聚變雙邊多邊合作協(xié)議，同時還加入了國際能源署多個實施協(xié)議。中國在國際核聚變界的主流國際會議中扮演著舉足輕重的角色，中國聲音響徹國際舞臺！

2020年，中方擔任ITER理事會輪值主席，一方面以擔任ITER理事會輪值主席為契機積極深度參與ITER國際組織治理和項目管理，提升管理能力和水平，為我國牽頭組織國際大科學(xué)工程和大科學(xué)計劃積累經(jīng)驗。同時，持續(xù)加強國內(nèi)核聚變研發(fā)力度，以CFETR為基礎(chǔ)，踐行中國磁約束聚變能發(fā)展路線圖，按部就班推進下一步示范堆和原型堆的建設(shè)。

3 結(jié)束語

ITER計劃欲實現(xiàn)的核聚變能具有資源豐富、環(huán)境友好等特點，是解決人類社會共同面臨的能源問題、環(huán)境問題和社會可持續(xù)發(fā)展的理想終極能源，然而ITER計劃的國際性、工程性和復(fù)雜性決定了其前進道路的曲折性。經(jīng)過十多年的參與和實施，我國以此為契機提升了國際組織治理能力，發(fā)展了國內(nèi)學(xué)科研究，培養(yǎng)了人才隊伍，大力促進了工業(yè)企業(yè)的發(fā)展，解決了眾多卡脖子技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)，為我國科技強國的創(chuàng)新目標注入強大的動力。

2020年7月28日ITER計劃重大工程安裝啟動儀式上，習(xí)近平總書記賀信中強調(diào)：當前，全球正面臨新冠肺炎疫情帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，人類比以前任何時候都更需要攜手前行、共克時艱。中方愿意繼續(xù)同各方加強科研交流合作，合力突破重大關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)，推進全球科技創(chuàng)新，為增進各國人民福祉、實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展不斷做出新貢獻。我們聚變?nèi)藢凑湛倳浀囊螅掷m(xù)做好ITER計劃下一步工作，為實現(xiàn)中國夢，踐行人類命運共同體理念而繼續(xù)努力。