比太陽核心溫度還要高6倍，中國核聚變裝置屢次創下世界紀錄
【中國制造業極限“探秘”②】從-269℃到1億攝氏度，“人造太陽”如何經歷“冰與火”的極度考驗？
閱讀提示
安徽合肥“科學島”上有一個名為“東方超環”的托卡馬克核聚變實驗裝置，這是世界上第一個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。該裝置有近百萬個零部件協同工作，匯聚了“超高溫”“超低溫”“超強磁場”等多項尖端技術，人們往往將它形象地稱為“人造太陽”。
-269℃，這是接近熱力學理論上絕對零度(-273.15℃)的溫度。1億攝氏度，這是比太陽核心溫度還要高6倍且常人難以想象的高溫。
如果說有一種裝置，在制造過程中既要經受住接近絕對零度的“極度冷凍”，又要經受住上億攝氏度高溫的“極端炙烤”，這其中的難度有多大？
可以肯定的是，在安徽合肥，這樣的“不可能”正在變為現實。
在一座位于安徽合肥西北部的“科學島”上，有一個巨大的罐體，這個“巨罐”學名叫托卡馬克，但人們更喜歡將它形象地稱為“人造太陽”。
太陽之所以能發光發熱，主要是因為內部的核聚變反應。如果能在地球上造一個“太陽”來發電，這無疑會讓“能源自由”的愿景變得越來越清晰。
可控核聚變是一項典型的前沿性、顛覆性技術。2024年，科技部等七部門聯合發布《關于推動未來產業創新發展的實施意見》，提出要加強推進以核聚變為代表的未來能源關鍵核心技術攻關。
合肥“科學島”上這個名為“東方超環”的托卡馬克核聚變實驗裝置，是世界上第一個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。該裝置有近百萬個零部件協同工作，匯聚了“超高溫”“超低溫”“超強磁場”等多項尖端技術，擁有專利近2000項。每個托卡馬克的建造者，都在做一件“無先例可循的事”。
幾萬個接頭要“密不透風”
2月7日，位于“科學島”上的合肥聚能電物理高技術開發有限公司，幾名工人正在將一根根銅鋁復合構件從液氮中撈出。在與室外空氣接觸后，這些構件上很快便籠罩了一層霧氣。工人們說，這些構件剛剛經歷了一次冷熱循環試驗。
幾周前，這里剛剛傳出一個振奮人心的消息：“東方超環”首次完成1億攝氏度1000秒“高質量燃燒”，即成功實現超1億攝氏度、1066秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行，再次創造托卡馬克裝置高約束模運行新的世界紀錄，也標志著我國聚變能源研究實現從基礎科學向工程實踐的重大跨越。
對于科研團隊來說，“億度千秒”的實現，充分驗證了聚變堆高約束模穩態運行的可行性。然而，對于工程團隊來說，為準備下一次實驗而要開展的設備“升級”工作才剛剛開始。
“巨罐”里面有著上億攝氏度的高溫，這對于任何耐熱材料都是難以承受的。科學家需要研制一個“磁籠子”，用強磁場將等離子體約束在“磁籠子”里，這就相當于讓等離子體處于一種“懸浮”狀態。
這樣的“磁籠子”需要的強磁場究竟有多強呢？
記者了解到，“巨罐”內部的磁場強度達到了地球磁場強度的約7萬倍。如何做好這樣的超導磁體，成為擺在工程團隊面前的重大考驗。
“超導磁體必須要冷到一個極限溫度。”合肥聚能電物理高技術開發有限公司總經理吳杰峰說，一般情況下，工作人員需要將超導磁體穩定在-269℃，這個溫度對制作過程中每一個環節的要求都十分苛刻。
“超導磁體內有幾萬個接頭需要焊接，每個接頭都需要在低溫環境下保持一定的漏率。如果一開始就控制不好漏率的話，等到真正運行再去發現漏點，那維修的成本實在太高。”吳杰峰解釋說。
近百萬個零件不能出現任何意外
鮮為人知的是，在“人造太陽”的制造過程中，很多零部件是不能用自動化設備來批量生產的，而是要靠工人師傅們純手工制作。因此，手感是工人師傅們“只可意會且難以言傳”的絕技。
“如果今天師傅的狀態不好，很可能會影響手上的活。”作為合肥聚能電物理高技術開發有限公司制造中心副主任、首席技師，陳建林時常把這句話掛在嘴邊。
在陳建林看來，對于核聚變實驗裝置來說，哪怕有一個環節出現了一絲一毫的問題，最終的損失都是不可估量的。
“埃菲爾鐵塔的金屬框架有7000多噸，聚變堆裝置的重量是這個數值的4倍。”據吳杰峰估算，未來的聚變堆裝置需要用約3萬噸的各類高精度部件進行裝配，零件數量近百萬個。
這是一個高度復雜的系統，對各類零部件的制造、加工、安裝都有著嚴格的要求。
陳建林曾參與包括“人造太陽”在內的十余項國內外重大科學工程核心部件及系統的總裝調試工作。其中，“東方超環”裝置的核心部件之一——內置式低溫泵就是陳建林在“守護”。
依靠多年的工程經驗，陳建林有著超越檢測工具的“手感”。“東方超環”裝置總體直徑約4米。在狹小、不透氣的內真空室，陳建林經常只能蹲在固定的位置進行操作，時間長了腿就會麻，站都站不起來。
“在那段時間，思想上不能開任何小差，連做夢都在想著如何能精準安裝到位。”陳建林說。
在高速公路上“走鋼絲”
盡管等離子體是被約束在“磁籠子”內懸浮的，但整個“巨罐”還是不得不直面上億攝氏度的高溫，這對內部材料及部件的研制提出了極高的要求。
一般情況下，科學家們會提出一些理論要求，陳建林和同事們會通過加工、裝配、檢測等一系列復雜工序將科學家們的要求變為現實。
不同的材料，特性完全不一樣。如何把它們裝配在一起，是一件非常困難的事情。
鉗工高級技師張虎在合肥聚能電物理高技術開發有限公司工作多年，對不同形狀、不同材料的部件進行裝配是他的主要工作內容。在工作中，他不僅要熟悉各種零部件之間的裝配特性，還要了解不同工藝的特點，才能在裝配過程中有針對性地解決問題。
另外，在極高溫的環境下，不同的金屬，膨脹系數不一樣，導熱性能也不一樣。
“對于這些部件，在工藝設計上就必須十分講究，因為要確保極低溫下和極高溫下，都要具備穩定性、安全性。這就像走鋼絲一樣，在高速公路上開汽車不難，但走鋼絲的話，難度就完全不同。”吳杰峰說。
吳杰峰時常把自己的日常工作比喻為“解方程式”。
他解釋說，“在極低溫和極高溫的夾縫中開展工作，往往會影響產品開發、材料選擇、加工制造的過程，可選的域度非常小。這就像解方程一樣，當約束條件變多，最后只能歷盡艱難險阻才能找到唯一解。”
“一個零部件，很少是一步焊成的。”張虎說，盡管可以采取不同的焊接方法進行梯度焊接，但是對黏合率的要求一點也不能降低，并且累積誤差要越小越好。
每次裝配之前，張虎往往要先在試驗件上預演一遍。
“一旦裝配真正的部件，絕不允許有一點差錯。不僅因為材料太貴了，時間上更耗不起。”張虎說。
本報記者 陳華《工人日報》(2025年02月25日 06版)