本文來源：DeepTech深科技作者：武文浩
人類目前最具野心的核聚變項目，位於法國南部的國際熱核聚變實驗堆（ITER）於北京時間 7 月 28 日下午，正式宣布工程進入組裝階段。
ITER 要在地球上製造一個小型的「人造太陽」。這也使它成為人類歷史上迄今第二大國際大科學工程，僅次於國際空間站。
圖 | 位於法國南部 Saint-Paul-lès-Durance 的 ITER 項目所在地，項目工程目前已正式進入組裝階段。（圖源：ITER）
ITER 定下了一個雄偉的目標，最快到 2050 年實現清潔、安全的能源。如能實現，一個菠蘿大小的罐子中所盛的核聚變燃料，在發電量上就能匹敵 1 萬噸煤。而且，用於聚變的燃料和有助於控制反應的鋰都能從海水中提取，其儲量足以供應人類數百萬年。
ITER 項目的成員國共有 35 個，其中，中國、歐盟國家（包括英國和瑞士）、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國為項目建設的主要力量。包括中國國家主席習近平在內，ITER 各成員國的元首或政府代表，均為 「組裝工程開工典禮」 發來了祝賀。
那麼，這個預計耗資約 200 億歐元（合 1640 多億人民幣），佔地 4 萬多平米，眾多國家元首都要致信祝賀的 ITER 究竟是個啥？DeepTech 為你詳解這個超大型國際科研項目。
核聚變，終極能源解決方案
圖 | 核聚變理論示意圖（來源：Universe Today）
在拉丁語中，ITER 有 「道路」 之意。在一定程度上，可控熱核聚變也被科學界視為未來能源的終極解決途徑。
包括太陽在內的宇宙中的恆星，都是靠穩定的熱核聚變來發光發熱的。太陽內部的氫原子在極端溫度和極端引力的環境下發生碰撞，並聚變為比氫更重的氦原子來產生巨大能量。
在地球上，科學家於 20 世紀通過一系列實驗，發現最容易實現核聚變反應的是氫的同位素氘和氚。
為了說明核聚變的無限潛力，科學家們總在說：1 升海水中所含的氘發生聚變反應，可釋放出相當於 300 升汽油燃燒的能量。地球上的海水資源異常豐富，用於產生氚的鋰也有相當大的儲量，這使得核聚變不會遭遇燃料瓶頸。理論上，這將是一種便宜、安全、海量的理想能源。
氘氚聚變反應的產物是穩定的氦，沒有放射性廢物，只產生易於處理的短壽命放射性物質，相對傳統的核電站也更安全。因為核電站的反應堆要先期注入大量核燃料，而核聚變是在反應過程中隨用隨加原料，具有更高的安全性。
要想利用這些獨一無二的優點，科學家們需要做一些前所未有的工作和創新。
太陽可以穩定核聚變，是因其內部不僅有超 1500 萬攝氏度的高溫，且有 3000 億個大氣壓的超高氣壓。但在地球上，無法產生如此大的壓力，只能通過提高溫度來彌補。科學家通過前期研究，總結出了在地球上實現核聚變反應的三個必備條件：
（1）足夠高溫度（能有效人為引發聚變反應的環境溫度約為 1.5 億攝氏度，相當於太陽內核溫度的 10 倍）。
（2）密度足夠高的高能粒子流（增加粒子碰撞發生的可能性）。
（3）能夠遏制等離子體（plasma）向外發散的趨勢，將粒子流在足夠長的一段時間裡限制在一個有限空間內，以引發可持續的聚變反應。
在滿足前兩個條件的環境中，粒子流中的原子會發生電子與原子核分離，形成等離子體（常被認為是第四種物質存在狀態），為輕元素原子核碰撞、結合產生重元素的聚變反應的發生創造條件；而第三個條件，則能保證這一 「能誘發核聚變反應的環境」 可以維持足夠長的一段時間，以為研究目的產出有效數據，或為發電目的產出足夠多的能量。
為了造出同時滿足這三個條件的裝置，在上世紀 60 年代，蘇聯科學家提出託卡馬克（Tokamak）方案。託卡馬克，簡單來說是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的中央是一個環形真空，外面圍繞著線圈，看上去像個巨大的 「甜甜圈狀」。Tokamak 這一英文名也正是由此而來，其實就是俄語「外部纏有電磁線圈的環形倉室」 的首字母縮寫。
當給託卡馬克通電時，其內部會產生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到上億攝氏度。就聚變堆而言，燃燒等離子體被約束在真空室內，且所含聚變堆中的氘氚燃料含量低，不會爆炸，也不會導致洩漏。
同時，還要實現充分的約束。將高溫等離子體控制在高密度狀態，維持足夠長的時間，以便充分地發生聚變反應，直至無需再從外界輸入能量，這一過程被稱為「聚變點火」。要實現聚變點火，必須達到一定的約束時間。
科學家已找到兩條途徑來實現這種約束：磁約束和慣性約束。從研究進展看，這兩種約束方式很難說哪種更具明顯優勢，而且都面臨著不同的難題。由於在慣性約束中使用的大功率雷射器還可用於核武器研究和基礎科學研究，有能力開展研究的國家都傾向於自主研發。如美國的國家點火裝置（NIF）和中國的神光 Ⅲ 裝置，都屬於慣性約束。
ITER 選擇的是磁約束，主要利用大電流產生強磁場。被稱為託卡馬克的裝置是現在完成磁約束最成熟的構形，要想實現「點火」，就要建造一個全超導託卡馬克裝置。
圖 | 託卡馬克裝置示意圖。（圖源：Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility）
五大科學目標
前面提到，此次 ITER 在設計上採用的是託卡馬克設計，而對於採用這類設計的聚變裝置來說，其所能產生的能量值與其反應核內發生的聚變反應次數成正比，而託卡馬克環內的真空室空間越大，室內高能粒子流在迴旋過程中發生聚變反應的機率也就越大。此次 ITER 的真空室體積容量，是現仍在運行的最大容量的託卡馬克裝置的 10 倍，由此帶來的 「史無前例」 的反應能力，將能幫助科學家們進一步研究核聚變技術，並為人類獲取能源方式的轉型升級做好準備。
圖 | ITER 託卡馬克的第一部分——低溫恆溫器的湯碟形底座於 2020 年 5 月 26 日被放入 託卡馬克坑。（來源：ITER）
根據 ITER 官方所公布的信息，ITER 項目要探究的主要科學目的共有 5 個：
（1）產生 500MW（兆瓦）的能量
目前，核聚變所產生過的最高能量記錄由歐洲的託卡馬克裝置 JET 保持，該裝置曾於 1997 年的運行過程中，用 24MW 的能量輸入產出 16MW 的核聚變能，而得益於更為先進的技術和設備以及更大的規模，ITER 的託卡馬克裝置預計將能以 50MW 的能量輸入產出 500MW 的輸出能量，雖然 ITER 裝置在設計上並不會存儲這些能量來真正給電網供能，但該裝置將成為人類首個產出正能量（能量輸出大於能量輸入）的核聚變裝置，為未來可能的商用核聚變電站打下基礎。
（2）證明用核聚變發電的可行性
ITER 項目將能彌補當前世界各地的小型核聚變裝置與真正意義上的聚變電站間的差距，使科學家們能在接近真實聚變電站條件的環境中開展實驗，測試那些對未來建設聚變電站而言，不可或缺的技術（如核聚變的升溫、控制、診斷、低溫環境設計與控制，以及遠程維護等技術）。
（3）實現能通過自身供能來維持反應的氘氚粒子流
目前核聚變技術的一大瓶頸在於，真空室內的粒子流無法形成聚變反應鏈（穩定地持續發生聚變反應），而 ITER 的裝置設計將有望能在其建成後，使其真空室內的粒子流能靠自身聚變反應所產生的能量形成鏈式反應，並以此讓聚變反應能在足夠長的一段時間內穩定發生，進而穩定地輸出大於輸入能量的能量。
（4）測試核聚變燃料，氚的生產技術
在實現正能量輸出後，ITER 項目後期將主要研究在真空室內產生氚的技術。目前，全球聚變可用氚的產量並不足以滿足未來聚變發電的需求，而 ITER 則能為聚變燃料領域的學者提供接近真實聚變電站條件的實驗環境，用於開展與聚變燃料生產有關的研究。
（5）驗證核聚變發電設施的安全性
ITER 將就核聚變設施對周圍環境的影響進行研究，以驗證核聚變設施對環境的影響在可容忍範圍內，並證明聚變發電技術的可持續性。
圖 | 於 2010 年開始動工的 ITER 項目工地。（圖源：ITER）
35 國大合作
ITER 項目的成員國共有 35 個，在地理上橫跨地球三個大洲，在人口上約佔世界總人口的一半，在經濟上佔全球 GDP 的 85%，在文化上有超過 40 多種語言。
但在 35 年前，ITER 剛作為一個概念提出時，遠沒有這麼大的陣勢。
1985 年，美國和前蘇聯兩國首腦共同倡議建造 ITER。後來，美、蘇、歐、日共同啟動。到了 1988 年，開始概念設計。然後又用了 13 年，才最終完成工程設計報告。
到了 2003 年 1 月，中國政府正式決定，加入 ITER 計劃談判進程。然而，這一決定遭到部分中國科學家的反對，以中國科學院數學物理學部為主的 40 多名院士上書中央，反對中國加入 ITER，主要理由是經費投入過於巨大，當時中國加入的話，要承擔的費用超過 10 億美元。
贊成者卻認為，中國對 ITER 項目的投入，70% 將會以國內製造的部件來支付，還有 10% 則由中方派出人員折算。這樣核算下來，中國真正需要支付外匯的部分僅佔 20%，且 ITER 建設周期長達十年，分批支付，也不算特別昂貴。況且，該計劃在理論上的不確定性已逐步消除，可以依賴的科學基礎相對穩固。實際上，從上世紀 70 年代開始，中國就以託卡馬克為主要研究途徑，先後建造了 30 多臺核聚變實驗裝置，積累了較多的經驗。
2005 年 6 月，中、歐、日、韓、俄、美六方共同籤署了《ITER 場址聯合宣言》，確定將 ITER 場址設在法國卡達哈什。
2006 年 5 月，在 ITER 計劃聯合實施協定正式籤署的前夕，印度火線加入。這印證了從國際主流決策看，ITER 是受歡迎的。
ITER 成員國將共同分擔建設、運營和最終下線過程中所產生的費用，並在 ITER 計劃運行的 20 年期間內，共享項目所產生的所有研究成果。
根據目前 ITER 官方所發布的信息，項目預計總耗資約為 200 億歐元，其中，歐盟承擔約 45.5% 的建設費用，剩餘約 54.5% 的建設費用則由中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國均攤（每國平均各 9.1%），但各國 90% 的建設支出都不會以現金的方式交付，而是以設施所需的組件、系統和建築部件等形式交付給 ITER。
ITER 項目的基本原則是各成員相互分享新增智慧財產權，不在成員之外的第三國傳播。同時，也要尊重各成員的原有智慧財產權，可以通過談判商定。
中國國際核聚變能源計劃執行中心原副主任丁明勤，曾這樣描述中國加入 ITER 項目的好處：「以 10% 的投入，享受 100% 的智慧財產權」。
圖 | ITER 中國項目官網上的「中國 ITER 建設參與項目一覽」。（來源：ITERCHINA）
在這項參與國眾多的大科學項目中，各成員也都盡力避免近期複雜的國際形勢會影響到項目的推進。例如，雖然英國已正式退出歐盟和歐洲原子能共同體，但它對繼續參與 ITER 項目保持了強烈興趣。在談判新的合作條款之前，ITER 理事會同意，所有與人員和供應商的現有合同都應得到尊重。此外，中美代表、中印代表之間的關係，也並未出現不和諧的跡象。
各成員國的項目製造分工。（圖源：ITER）
各國在核心組件上的貢獻
低溫控制器（Cryostat）
（來源: ITER）
由印度製造，是包裹環形真空室和室外超導磁體的溫控裝置，用於確保真空室外的超導磁體能有區別於真空室內 1.5 億攝氏度極端高溫的超低溫的工作環境。高和直徑均為 30 米，重約 1250 噸。
承載超導磁體的磁場 Toroidal 環及超導磁體（Toroidal Field Coils）
（來源: ITER）
由日歐中俄韓聯合製造，參與企業達 40 多家，共有 18 個環形線圈組成，每個環形線圈重 360 噸。
承載超導磁體的磁場 Poloidal 環及超導磁體（Poloidal Field Coils）
（來源: ITER）
由中俄歐聯合製造，由 6 個環形線圈組成，每個線圈重約 400 噸，將被安裝在 Toroidal 環外，目的是使等離子體原理真空室的倉壁。目前，由中國負責製造的一個線圈已於 5 月交付 ITER。
中央磁體
（來源: ITER）
由美國製造，為 ITER 組件中的最強磁體，由 6 個模組構成，安裝完成後高約 13 米，寬約 18 米，加上支撐結構重約 1000 噸，其所產生的磁力能抬起一臺航空母艦，主要用於在真空室內的等離子體中產生強力電流（預計將於 2020 年秋季交付）。
真空室（Vacuum Vessel）
（來源: ITER）
由歐韓俄聯合製造，設有 44 個外部接口可供控制系統對倉內情況進行監測，內部為不鏽鋼壁面且貼有一層用於將倉內聚變反應輻射隔離的防輻射「布」。
目前，用於安置整個核聚變裝置的大樓和裝配組件用的裝配設施已經建成，由一條長 170 米的軌道和兩臺 750 噸級起重機組成。設施所用到的冷凍設備由中法日印瑞（瑞典）捷（捷克）芬（芬蘭）意（義大利）聯合製造，目前已完工 60%，建成後將成為世界上最大的中央溫控系統，主要用於為超導磁體創造低溫環境。
雖然今年受到疫情衝擊，但截至目前 ITER 的建設工程總體來說並未逾期太久，下面是 ITER 官方的項目時間表。
（來源: ITER）
最後，一定不能忘記，ITER 只是一個實驗，是迄今為止人類所嘗試過的最複雜、最具挑戰性的實驗。換句話說，即便 ITER 取得滿意結果，還要再經過示範堆和原型堆階段的驗證，因此，最樂觀的估計是，聚變能的商業化應用在本世紀中葉或稍晚才有可能實現。
還有，這樣的觀點在 30 年前就有，說是 「30 年內核聚變能夠商用」，現在，仍然說是下一個 30 年。