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      太鋼異型鋼 制造新太陽
      發布日期:2022-07-14

      我國科學家正在積極參與國際大科學科技合作項目“人造太陽”計劃。作為不銹鋼產能全球第一的太原鋼鐵(集團)有限公司,決心成為最好和最重要的不銹鋼材料供應商。

      高起點瞄上大計劃

      6000攝氏度是地球的核心溫度,1600萬攝氏度是太陽的核心溫度,上億攝氏度是“人造太陽”的核心溫度。“人造太陽”全稱“國際熱核聚變實驗反應堆”,簡稱“ITER”,是目前僅次于國際空間站的國際大科學科技合作項目,旨在實現可控的核聚變反應,為人類提供可持續清潔能源。

      我國作為7個成員方之一,與歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度一起共同實施這個規模宏大而意義深遠的項目。作為不銹鋼產能全球第一的太原鋼鐵(集團)有限公司,則承擔了“人造太陽”中關鍵裝置所需的多種特殊不銹鋼材料的研制。今年初,其產品通過國際認證,向ITER計劃小批量供貨。

      核聚變原理并不復雜:當兩個質量較輕的原子核聚合為一個較重的新原子核時,大量電子和中子能夠逃離原子核束縛,帶來巨大能量。自然界中最容易實現的聚變反應是氫的同位素——氘與氚。氘在海水中儲量極為豐富,1公升海水里提取的氘,在完全聚變反應中可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量。核聚能理所當然成為無污染、無放射性核廢料、資源無限的理想能源。

      太鋼軍工與核電產品開發業務部項目經理張寶林與“人造太陽”第一次結緣是在2007年春天。中科院的一位研究員問他,太鋼能否制造“人造太陽”需要的一種外方內圓的異型鋼管。張寶林說,常見鋼管要么圓要么方,這種奇怪的鋼管冶煉成分、公差精度、探傷要求等各項技術參數復雜、高難、嚴苛,極其難以實現。太鋼科研團隊遇到了前所未有的挑戰,一些人出現了畏難情緒。但太鋼領導卻異常清醒地認識到,參與ITER計劃是重大發展機遇,太鋼作為全球規模最大的不銹鋼企業,決心成為ITER計劃中最好和最重要的不銹鋼材料供應商。

      高要求體現競爭力

      聚變反應,說來容易做起來難,兩個輕核聚合成重核需要超高溫度和壓力。對太陽來說,這很容易。太陽中心的溫度高達1600萬攝氏度,而且自身重力大,既有高溫又有高壓,核聚變能持續發生,從而不斷釋放能量。在地球上模擬太陽,需要把溫度提升到上億攝氏度,在如此超級高溫下,混合了氘、氚的氣體原子中帶負電的電子和帶正電的原子核完全脫開,各自獨立運動、持續碰撞才能產生核聚變反應。

      如何絕對避免高溫等離子體逃逸?在超級高溫下,任何固體材料都將“灰飛煙滅”??茖W家設計出一種名為“托卡馬克”的環形容器。張寶林打比方說,超導磁體線圈產生的超強磁場編織成一個密不透風的“磁籠子”,利用磁力線把高溫等離子體約束在有限的容積內進行環形循環,完全不與“人造太陽”的腔壁接觸,氘、氚氣體加熱到上億攝氏度后產生核聚變,輸出能量。

      我國承擔“人造太陽”計劃中的12個采購包任務,要用到大量要求極高的不銹鋼產品。這些產品不僅要在常溫下檢測各項指標合格,更要在接近絕對零度(-273℃)下符合標準。其工作介質為液氦,在-269℃的超低溫下電阻為零形成超導,在超導狀態產生超強電流,從而形成強大磁場。“冰火兩重天”,要求不銹鋼產品具有不一樣的品質。

      “人造太陽”供應商必須是各行各業中的翹楚。太鋼作為連續多年不銹鋼產量全球第一和國內不銹鋼行業的領軍企業,當仁不讓地參與到產品的研制中,這既是競爭實力的體現,也是強烈社會責任感的體現,更是企業高瞻遠矚、志存高遠的戰略定位的體現。

      高難度填補幾空白

      “國內沒有相關經歷借鑒,也沒有人見過國外如何采用擠壓技術生產這些異型產品,而且廠里的設備也是用于生產圓形鋼管,我們毫無經驗所取。”太鋼不銹鋼管公司總工程師康喜唐說,“當時拿起圖紙一頭霧水,看著上百頁英文資料,無從下手。”

      以ITER計劃校正場采購包用L型鋼的研發為例。L型鋼是含氮不銹鋼,硬度很高,擠壓加工時,用力不足不能成型,用力過猛,又很容易發生悶車現象,擠壓物隨時變成飛行炮彈,擊穿廠房,發生安全事故。如何把握溫度控制和變形過程,把擠壓力控制在設備允許范圍內,是一個大的挑戰??迪蔡坪蛨F隊傷透了腦筋,他們廢寢忘食、夜以繼日地研究和改善生產工藝參數,優化工模具設計和制作,嚴密控制生產過程中各環節的具體操作,反復試驗。半年后,L型鋼研制成功。得到這一消息,ITER計劃國際組織校正場采購包負責人和歐洲核子研究中心的材料專家第一時間飛抵太鋼,拍照記錄、采集數據,并于當年11月19日發表在《ITER NEWSLINE》上。

      這些年來,太鋼為核聚變和核裂變研制出L型、U型、T型、H型鋼矩形管等一大批產品,形成一系列具有自主知識產權的核用不銹鋼異型材生產技術,屢次獲得重大技術突破,填補了多項國內和國際空白,目前已獲冶金科技成果獎2項,獲國家授權發明專利10項,并按照核電質保體系嚴格要求,形成一整套專有技術和操作方法,樹立了核電領域獨領風騷的地位。

      高水準選用太鋼造

      “人造太陽”的材料采購主要分為四個階段:研發、國際認證、小批量生產和批量生產。目前太鋼制造的復合板材、不銹鋼板材和擠壓異型材已經通過國際認證。國際專家認為,其技術指標達到了ITER計劃采購規范要求,有的指標甚至大大超過原來的設計要求。今年年初,磁體支撐、校正場線圈、磁體饋線等采購包相繼進入小批量采購階段,它意味著,太鋼產品已經躍升到“人造太陽”新階段,未來的核聚變領域將有越來越多太鋼產品。

      截至目前,中國科學家已經攻克了中國采購包任務中遇到的所有技術難關。我國交付ITER計劃的部件實現了100%國產化,且全部一次性合格,按期交付。張寶林說:“人造太陽”要經過實驗堆、示范堆、商業堆三個階段,這個過程前后大約需要50年時間。“人造太陽”項目一旦實現,人類將告別對地球敲骨吸髓式的能源掠奪,世界化石能源危機問題將得到根本性解決。為了實現這個偉大夢想,越來越多太鋼人正在積極投身“人造太陽”追夢隊伍中。

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