ITER计划国际大科学工程工作进展

何开辉,罗德隆,王 敏,陶 强,于 芳,庞 博

(中国国际核聚变能源计划中心，北京 100037)

1 ITER计划总体进展

国际热核聚变实验堆(ITER)计划是规模仅次于国际空间站的大科学工程国际合作计划，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七方三十多个国家共同参与ITER装置的建造和下一步实验运行，其目标是验证和平利用核聚变能的科学和工程技术可行性，为下一步核聚变能源商业化应用探索道路[1]。鉴于其原理的相似性，受控核聚变能又被称为“人造太阳”，是全球核聚变人一代代接力奔跑，致力于照亮人类未来的理想终极能源。

1.1 ITER国际组织最新管理结构概况

ITER国际组织(IO)成立于2007年10月，第三任暨现任总干事伯纳德·比戈(Bernard Bigot)的新一届任期从2020年3月开始。去年得到理事会批准后，总干事提出ITER计划从工程/制造为重点的制造阶段向装配、安装和建造阶段转变，并根据现阶段任务重心提出了新的治理架构，主要包括： (1)建造施工部(CNST)：现阶段的核心部门，负责IO与各成员方执行机构(DA)一起完成2025年第一等离子体(2025FP)所需设备/部件的制造/质量/经费/进度/交付和安全存储，以及设备/部件的装配、安装直至调试准备就绪。主要工作包括ITER主机、托卡马克综合楼和现场设施的组装和安装。CNST由主机建造司、堆工建造司和施工管理办公室组成。(2)科学运行部(SCOP)：该部门致力于与国际聚变界的科学和技术单位、专家接洽，负责调试和联调2025FP运行所需的设备/部件和系统；负责已经在ITER现场安装的所有设备和系统的运行、保存和维护。SCOP参与国际托卡马克物理活动、激励ITER科学家成员网络、ITER运行网络和访问学者计划等活动。SCOP设科学、控制与运行司，下设科学处、控制处和运行处。(3)工程管理部(ENGN)：该部门主要负责系统集成和设计固化。它与各方DA一起通过分阶段方法，负责2025FP后至2035年满聚变功率运行期间所需安装的设备/部件的设计与制造的持续工程活动。在未来几年，其主要工作范围除了整个项目的配置管理、设计和施工、物理和功能集成，还包括固化设计、监督制造、配合2025FP至满聚变功率期间所运行设备的要求。 (4)事业管理部(CORP)：该部门为ITER计划提供支撑和资源协调，包括财务资源、人力资源、信息技术资源和外部供应资源，并按照ITER理事会批准的章程负责项目绩效管理。CORP由项目控制办公室、财务与采购司、人力资源司和信息技术处组成。除了以上四个部外，ITER组织还专门设立了安全和质量司、总干事办公室及内部审计处，独立向总干事汇报工作。图1是ITER组织最新管理结构，已于2020年1月1日起正式实施。

图1 ITER国际组织最新管理结构Fig.1 ITER organizational structure(from 1st Jan.2020)

1.2 ITER国际组织项目管理进展

IO和各方DA致力于实现2025FP，通过优化建造施工策略(RCS)，科学监控项目进度，稳步推进项目实施。长期以来，项目自身各方面的复杂性及众多关键部件首次研制(First of a Kind，FOAK)的特性为项目推进和进度控制带来了持续的、前所未有的挑战。特别是新冠肺炎疫情(COVID-19)在全球范围的蔓延更对ITER项目的实施产生了直接和间接的影响，IO及各成员方政府、执行机构以及采购包制造任务承担单位均受到不同程度的波及。面对不利局势，在理事会轮值主席、科技部核聚变中心罗德隆主任的全面指导下、伯纳德·比戈总干事的统筹协调下，ITER项目上下团结协作、紧密配合，在ITER理事会关键里程碑(ICM)、FOAK部件制造交付以及楼宇建设、现场施工、主机安装方面均取得了重大进展，展现了“同一个ITER”(“One ITER Team”)的团结协作精神。

2020年6月，总干事在第二十六届理事会(IC-26)会议上全面汇报了RCS实施进展、各方取得的突破性进展，以及实现2025FP相关任务可能面临的困难和挑战[2]。报告指出，ITER项目实现2025FP的相关任务完成率近70%。部件制造及现场施工方面均取得了关键进展：托卡马克大厅与装配大厅之间的重型吊装机械工程已于2020年3月完成；由韩国承担的首个真空室(VV#6)部件已于2020年5月完成制造工作，并于7月运抵ITER现场；环向场线圈(TFC)方面，日本及欧盟各自承担的首个部件(#12、#9)均已于4月交付运抵ITER现场，日本承担的第二个部件(#13)也已完成制造任务并启运；极向场线圈(PFC)方面，由中科院等离子体物理研究所(ASIPP)通过国际竞标承担的欧盟6号部件(PF6)也已于6月顺利运抵ITER现场。这些里程碑进度位于项目关键路径上，绝大部分都是FOAK部件首个交付，对掌握规律，提振信心意义重大。

这些瞩目成绩的取得体现了ITER成员方政府的持续支持、IO和各方DA“疫中”的顽强拼搏以及设计、制造、生产、测试、检验、包装、运输、交付、存储全链条项目生命周期(PLM)管理能力。技术瓶颈的不断攻克，各方面经验的积累，使得项目进度的成熟度、项目管理水平显著提高。然而，由于个别成员方现金贡献拖欠、个别产品质量问题的持续涌现，以及COVID-19的深度影响，必将对项目总进度、总经费带来较大的不确定性。这需要IO与各方DA更加紧密合作，直面疫情影响，力挽狂澜，继续在采购包部件制造和施工装配方面集中全部力量，在严格的技术要求下使项目保持强劲推进的势头，努力实现项目早日竣工。

1.3 PF6线圈进展

2020年6月26日，ASIPP承接的ITER极向场6号超导线圈(简称“PF6线圈”)运抵ITER现场。PF6线圈主要功能是建立ITER装置所需的强磁场约束等离子体位形，属于极具有技术挑战性的任务之一，其外径11.5 m，高2.5 m，总重近400 t，是关系ITER装置正常运行的最重要线圈之一，也是目前国际上研制成功的重量最大、难度最高的超导磁体。该采购包最初由欧盟承担，但由于研制生产严重超期，经IO认可，2013年紧急组织对PF6线圈研制生产任务进行国际招标。最终，ASIPP竞标成功，实现了我国承接ITER大型超导线圈项目制造的最初意愿。同时，中方国内单位通过公开竞标方式承接其他成员方实物贡献项目的做法，也开创了ITER计划实施期间成员方间任务合作的新模式。

在PF6线圈生产制造期间，等离子体所面对诸多技术风险、严苛的产品测试要求以及COVID-19全球大流行等特殊情况，坚持对产品技术、质量的极致追求，齐心协力、从严要求，所有关键制造工艺及部件全面实现国产化，一次性通过ITER国际组认证，制造合格率达到100%。最终，PF6线圈生产制造的圆满完成和顺利交付，为实现ITER计划2025FP奠定了重要基础，也让“中国方案”和“中国制造”更加深入地应用于国际大科学工程管理中。同时，我国也藉此掌握了大型超导磁体制造的系列核心技术，成功打破技术壁垒，发展和完善了国内聚变工程领域超导磁体的制造标准及相关规范，为我国未来工程聚变堆超导磁体研发奠定了坚实的工程实践基础，也进一步拓展了中欧核聚变能源领域合作的深度和广度。

1.4 TAC-1安装进展

经过艰苦努力，中核集团中国核电工程有限公司牵头的中法联合体(包括中核二三公司、核工业西南物理研究院、等离子体所和法国法马通公司)依靠强大的技术实力成功中标并于2019年9月与ITER国际组织签订ITER主机安装一号合同(TAC-1)。这为我国进入欧洲核能领域的工程建造市场提供了良好契机，也为我国后续自主建造聚变反应堆奠定了基础。

ITER作为目前世界上最大的聚变反应堆实验工程，是典型的“新材料、新技术、新工艺”的“三新”工程，其复杂程度和技术难度都超过了已经大量建造运行的裂变反应堆。TAC-1安装工程没有可借鉴的成熟经验，其重大的技术挑战包括大尺寸和/或大重量部件吊装、高真空或超高真空部件安装、超导部件装配和连接等。TAC-1安装标段工程是ITER托卡马克装置最重要的核心设备安装工程，其重要性相当于核电站的反应堆、人体的心脏，主要工作是为杜瓦结构的安装以及杜瓦结构和真空容器之间所有系统的安装。杜瓦底座是ITER托卡马克装置“心脏”安装工作的第一个重大组件，是托卡马克装置所有重要设备的基础，承担着重要安全屏障的作用，其安装精度、进度都对主体结构及重要部件安装产生重要影响，属于ITER项目进度中的“黄金节点”，是TAC-1第一个重要工程节点。除了技术上的难度，还不得不面对突如其来的疫情考验，在严峻挑战下，中法联合体一手抓疫情防控，一手抓安全生产，ITER重达1250 t的杜瓦底座于2020年5月28日平稳落位于托卡马克装置基坑内临时支撑上，杜瓦底座吊装工作圆满完成，正式拉开了ITER主机安装的序幕。伯纳德·比戈总干事在吊装现场的讲话中再次重申了杜瓦底座吊装的重要意义，并充分肯定了此次吊装的各项准备工作。在IC-26上，理事会主席和各方政府代表团团长都对包括杜瓦底座成功安装在内的重大项目进展表示祝贺并赞赏在总干事统筹协调下为推进项目实施的艰辛努力！2020年7月28日，ITER计划重大工程安装启动仪式隆重召开，习近平总书记在贺信中指出：国际热核聚变实验堆计划承载着人类和平利用核聚变能的美好愿望，计划实施以来，中方始终恪守国际承诺，这个企业和科研人员勇挑重担，与国际同行齐心协力，为计划的顺利推进高效率中国智慧和中国力量。十多年来的积极探索和实践充分证明，开放交流是探索科学前沿的关键路径。

2 ITER计划专项国内进展

2007年，国务院批准设立ITER计划专项，代表我国对外履行ITER计划《联合实施协定》的承诺和对内开展磁约束核聚变能源研发的双重任务。

2.1 ITER计划中方采购包进展

截至2020年上半年，环向场超导导体、矫正场及磁体馈线超导导体、极向场线圈超导导体和高压变电站材料四个采购包已完成所有生产和交付任务。总体来看，中方采购包合同采购高峰期已过。功能型采购包设计工作陆续完成，部分已启动制造与集成任务的采购。其中辉光放电(GDC)采购包临时电极和电源及控制系统和气体注入(GIS)采购包阀门箱及控制系统两个功能型采购包的初步设计评审已完成，并进入最终设计评审阶段；诊断采购包也处于类似阶段。处于认证和生产准备阶段的任务不多，仅矫正场线圈、馈场线圈和第一壁采购包有这方面任务。在制造交付方面，今年仍处于高峰阶段：馈场线圈、磁体支撑、电源变压器和安装辅件、GIS复合管道和诊断等采购包持续交付中。馈场线圈采购包是结构复杂、类型繁多，目前处于制造和交付的中坚阶段；矫正场线圈采购包持续开展制造和验收，并于9月开展启运仪式；磁体支撑(GS)采购包总体制造任务完成90%～95%，预计年内交付完毕；屏蔽模块(SB)持续开展锻件制造和模块加工制造工作。在采购包制造任务实施过程中，有个别采购包受中美芯片禁运影响，制造和测试任务晚于预期，但最终靠自主研发完成了制造任务。由于ITER计划的FOAK特性，中方多个采购包时常出现设计变更，导致项目进度的不确定。中方采购包任务总体实际完成量达到71.24%。

十多年来，中方ITER计划稳步实施，得到ITER组织和部分成员方的高度认可。中方开展了一系列研发创新，攻克了很多关键技术难关和卡脖子技术，积累了大量的生产制造经验，带动了众多产业规模化发展，在很多领域填补了国内空白，缩小了与世界发达国家之间的差距，还为各领域培养了大批人才，提升了国际竞争力和综合国力。通过知识产权的积累和核聚变专项标准的制定，为我国下一步自主研究聚变堆奠定了坚实的基础。

2.2 ITER计划国内研究专项进展

ITER计划国内研究专项的目标，不仅要使我国能在ITER装置建成后掌握其主要技术，又要在运行阶段有效参加ITER装置上的实验研究，还要加强聚变物理基础研究和人才培养，以期能逐步独立开展核聚变能示范堆的设计和研发。

在国内研究方面，以ITER计划专项为例，从2008年中心成立以来，支持的国内磁约束聚变研发项目多达160个，总经费约52亿。来自中科院等离子体物理所、核工业西南物理研究院、中国科技大学、中国工程物理研究院、华中科技大学等48家科研院所、高等院所和企业累计承担了600多个课题研究任务。

加入ITER计划以来，我国在磁约束核聚变、等离子体物理科学、实验、工程和材料技术方面得到了全面发展。在等离子体辅助加热和电流驱动模拟，边界等离子体理论和模拟，等离子体湍流输运和不稳定性研究，计算机模拟程序开发等方面取得了长足进展；在高负载遥操作样机制备、中性束注入、全钨偏滤器研制等方面实现了开创性的突破；在材料工程领域，我国导体采购包中的低温超导股线实现100%国产化，研发能力和工业化生产国际领先，第一壁使用的高纯铍材制造技术与美国同处于国际领先水平。

针对未来可持续发展能源战略，科技部组织专家提出了“中国磁约束聚变研究发展路线图”。基于ITER技术路线，并在此基础上实现实验堆—示范堆—原型堆的技术跨越，目标在21世纪30年代，建成200 MW的中国聚变工程实验堆(CFETR)[3]，与ITER形成互补，将是世界首个可以发电的聚变工程示范堆，重点围绕聚变堆稳态运行和氚自持等未来聚变堆最重要的科学技术问题开展科学实验；在21世纪40年代完成中国聚变工程实验堆升级，开展1000 MW的稳态示范堆相关的科学工程实验研究；在21世纪50年代开展中国聚变示范原型堆的建设和科学工程实验研究，为独立自主的发展一条适合我国国情的聚变能发展计划奠定坚实的科学技术基础。

CFETR设计工作开始于2011年，磁约束聚变堆总体设计组的统筹协调下于2014年完成了工程概念设计。目前，正在开展CFETR工程设计，并完成了相关的热室、建筑布局、厂房结构和基建设计。与ITER相比，CFETR在科学问题上主要解决燃烧等离子体的稳态控制、氚的循环与自持、聚变能输出等ITER未涵盖而未来聚变电站必需的内容；在工程技术与工艺上重点研究聚变堆材料、聚变堆包层及聚变能发电等ITER不能开展的工作。2017年11月“ITER十年回顾与展望会”上，来自20多个国家的40多位国际磁约束核聚变专家联合签署了《北京聚变宣言—支持中国聚变能源发展》，支持中国牵头建设中国聚变工程实验堆CFETR。《宣言》称：过去十年中国核聚变事业不断拓展且飞速进步，这得益于中国政府的大力支持和中国核聚变学界的不懈努力以及活跃的国际合作。中国正在发展一个雄心勃勃的计划CFETR，旨在建起ITER和未来核聚变电厂之间的桥梁。CFETR将为世界提供关键的能力，以开发和实验未来商用电厂所需的关键元素。

十年来，我们锻炼了一支具有国际化视野的工程技术人才队伍，锤炼了一支具有国际大科学工程管理能力的专业人才队伍，磨炼了一支深谙国际交流谈判的国际化人才队伍。在国际职员方面，经过十年的不懈努力，ITER组织中方职员由初期的16名增至现在的85名，跃居除欧盟外六方之首。国际职员比例由早期的4%稳步曾至目前的9.4%，远超排名第二位的美国近4个百分点。中方职员遍及ITER组织所有部门，是支撑ITER国际组织日常运行的重要力量。这也进一步说明了我们国内和国际人才培养两手抓取得了实际效果。

聚变产业的系统化发展离不开配套标准体系建设。2008年开始，我国开展了核聚变专项标准研究工作，并建立了核聚变标准体系。2017年以来已正式发布了两批40多项核聚变采购包专项标准。目前标准编制意向多达100项，国家核能标准化委员会核聚变分委会的建立呼之欲出。

2.3 磁约束核聚变领域双边多边国际合作进展

我国在磁约束核聚变能研发国际合作方面成效显著。中国先后与美国、日本、韩国、ITER组织、欧盟、俄罗斯、法国签署了核聚变双边多边合作协议，同时还加入了国际能源署多个实施协议。中国在国际核聚变界的主流国际会议中扮演着举足轻重的角色，中国声音响彻国际舞台！

2020年，中方担任ITER理事会轮值主席，一方面以担任ITER理事会轮值主席为契机积极深度参与ITER国际组织治理和项目管理，提升管理能力和水平，为我国牵头组织国际大科学工程和大科学计划积累经验。同时，持续加强国内核聚变研发力度，以CFETR为基础，践行中国磁约束聚变能发展路线图，按部就班推进下一步示范堆和原型堆的建设。

3 结束语

ITER计划欲实现的核聚变能具有资源丰富、环境友好等特点，是解决人类社会共同面临的能源问题、环境问题和社会可持续发展的理想终极能源，然而ITER计划的国际性、工程性和复杂性决定了其前进道路的曲折性。经过十多年的参与和实施，我国以此为契机提升了国际组织治理能力，发展了国内学科研究，培养了人才队伍，大力促进了工业企业的发展，解决了众多卡脖子技术和关键核心技术，为我国科技强国的创新目标注入强大的动力。

2020年7月28日ITER计划重大工程安装启动仪式上，习近平总书记贺信中强调：当前，全球正面临新冠肺炎疫情带来的严峻挑战，人类比以前任何时候都更需要携手前行、共克时艰。中方愿意继续同各方加强科研交流合作，合力突破重大关键科学和技术，推进全球科技创新，为增进各国人民福祉、实现全球可持续发展不断做出新贡献。我们聚变人将按照总书记的要求，持续做好ITER计划下一步工作，为实现中国梦，践行人类命运共同体理念而继续努力。