國際熱核聚變實驗堆

基本介紹

“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克，俗稱“人造太陽”。2003年1月，國務院批準我國參加ITER計劃談判，2006年5月，經國務院批準，中國ITER談判聯合小組代表我國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協定。這七方包括了全世界主要的核國家和主要的亞洲國家，覆蓋的人口接近全球一半。我國參加ITER計劃是基于能源長遠的基本需求。2013年1月5日中科院合肥物質研究院宣布，“人造太陽”實驗裝置輔助加熱工程的中性束注入系統在綜合測試平臺上成功實現100秒長脈沖氫中性束引出。

建設沿革

由于聚變能的研究不僅關系到解決人類能源問題，而且還涉及眾多先進且非常敏感的技術，因此，ITER計劃的形成除與科學技術本身的發展有關外，還始終與主要大國在政治和外交方面的考慮分不開。本文將主要從科學和技術角度作一些分析和說明。

1985年，作為結束冷戰的標志性行動之一，前蘇聯領導人戈爾巴喬夫和美國總統里根在日內瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動"國際熱核聚變實驗堆（ITER）"計劃。ITER計劃的目標是要建造一個可自持燃燒（即"點火"）的托可馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工程問題做深入探索。

該計劃僅確定由美、俄、歐、日四方參加，獨立于聯合國原子能委員會（IAEA）之外，總部分設美、日、歐三處。由于當時的科學和技術條件還不成熟，四方科技人員于1996年提出的ITER初步設計很不合理，要求投資上百億美元。1998年，美國出于政治原因及國內紛爭，以加強基礎研究為名，宣布退出ITER計劃。歐、日、俄三方則繼續堅持合作，并基于上世紀90年代核聚變研究及其他高新技術的新發展，大幅度修改實驗堆的設計。2001年，歐、日、俄聯合工作組完成了ITER裝置新的工程設計（EDA）及主要部件的研制，預計建造費用為50億美元（1998年價），建造期8至10年，運行期20年。其后，三方分別組織了獨立的審查，都認為設計合理，基本上可以接受。

2002年，歐、日、俄三方以EDA為基礎開始協商ITER計劃的國際協議及相應國際組織的建立，并表示歡迎中國與美國參加ITER計劃。中國于2003年1月初正式宣布參加協商，其后美國在1月末由布什總統特別宣布重新參加ITER計劃，韓國在2005年被接受參加ITER計劃協商。以上六方于2005年6月簽訂協議，一致同意把ITER建在法國核技術研究中心Cadarache，從而結束了激烈的"選址大戰"。印度于2006年加入ITER協商。七個成員國政府于2006年5月25日草簽了建設ITER的國際協定。目前國際組織正在組建，總干事和副總干事人選已確定。還有一些國家也正在考慮參加ITER計劃。

在ITER建設總投資的50億美元（1998年值）中，歐盟貢獻46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻約9%。根據協議，中國貢獻中的70%以上由我國制造所約定的ITER部件折算，10%由我國派出所需合格人員折算，需支付國際組織的外匯不到20%。

作為聚變能實驗堆，ITER要把上億度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的"磁籠"中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。50萬千瓦熱功率已經相當于一個小型熱電站的水平。這將是人類第一次在地球上獲得持續的、有大量核聚變反應的高溫等離子體，產生接近電站規模的受控聚變能。

在ITER上開展的研究工作將揭示這種帶有氘氚核聚變反應的高溫等離子體的特性，探索它的約束、加熱和能量損失機制，等離子體邊界的行為以及的控制條件，從而為今后建設商用的核聚變反應堆奠定堅實的科學基礎。對ITER裝置工程整體及各部件在50萬千瓦聚變功率長時間持續過程中產生的變化及可能出現問題的研究，不僅將驗證受控熱核聚變能的工程可行性，而且還將對今后如何設計和建造聚變反應堆提供必不可少的信息。

ITER的建設、運行和實驗研究是人類發展聚變能的必要一步，有可能直接決定真正聚變示范電站（DEMO）的設計和建設，并進而促進商用聚變電站的更快實現。

ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克。其裝置中心是高溫氘氚等離子體環，其中存在15兆安的等離子體電流，核聚變反應功率達50萬千瓦，每秒釋放多達1020個高能中子。等離子體環在屏蔽包層的環型包套中，屏蔽包層將吸收50萬千瓦熱功率及核聚變反應所產生的所有中子。

在包層外是巨大的環形真空室。在下側有偏慮器與真空室相連，可排出核反應后的廢氣。真空室穿在16個大型超導環向場線圈（即縱場線圈）中。

環向超導磁體將產生5.3特斯拉的環向強磁場，是裝置的關鍵部件之一，價值超過12億美元。

穿過環的中心是一個巨大的超導線圈筒（中心螺管），在環向場線圈外側還布有六個大型環向超導線圈，即極向場線圈。中心螺管和極向場線圈的作用是產生等離子體電流和控制等離子體位形。

上述系統整個被罩于一個大杜瓦中，坐落于底座上，構成實驗堆本體。在本體外分布4個10兆瓦的強流粒子加速器，10兆瓦的穩態毫米電磁波系統，20兆瓦的射頻波系統及數十種先進的等離子體診斷測量系統。

整個體系還包括：大型供電系統、大型氚工廠、大型供水（包括去離子水）系統、大型高真空系統、大型液氮、液氦低溫系統等。

ITER本體內所有可能的調整和維修都是通過遠程控制的機器人或機器手完成。

ITER裝置不僅反映了國際聚變能研究的新成果，而且綜合了當今世界各領域的一些頂尖技術，如：大型超導磁體技術，中能高流強加速器技術，連續、大功率毫米波技術，復雜的遠程控制技術等等。

2013年9月25日（北京時間）消息，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室報告稱，世界大激光器、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）正距離其目標越來越近，顯示了一個可持續核聚變反應裝置正在由夢想逐步成為現實。不過在設施達到高度穩定前，目前仍有一個顯著障礙有待克服。