科學家開始組裝世界上最大的核聚變實驗裝置

2021-01-17 孜然實驗室

2020年7月28日，在花費了預算3倍的資金以後，科學家們終於可以開始在法國南部聖波萊迪朗克（Saint-Paul-les-Durance）組裝一臺巨型機器。

這個瘋狂的項目被稱為國際熱核聚變實驗反應堆（ITER），它將成為世界上最大的磁約束等離子體物理實驗設施，是目前正在建設的世界上最大的實驗性託卡馬克核聚變反應堆。

幾個月以來，各種的組件從世界各地的生產基地運抵這裡。科學家們將竭盡全力完成這個「世界上最大的拼圖」。

核聚變

核聚變是輕原子核融合成為更重的原子核，這種方式為太陽和其他恆星提供動力，使得太陽能夠燃燒上百億年。

當愛因斯坦寫出了震古爍今的質能方程以後，我們知道核聚變能夠產生的能量是化學能的數百萬倍。比如一個菠蘿大小的核燃料塊產生的能量相當於1萬噸煤。

用於核聚變的燃料 –，是氫的同位素之一，在海水中約佔氫總量的1/6000。用於產生的鋰也有相當大的儲量。足夠供應人類使用數百萬年。

如此高的儲量和能量產生效率，足以解決任何人類對能量的需求。

氚聚變的產物是惰性元素氦，聚變過程只產生易於處理的短壽命放射性物質，相對傳統的裂變核電站更安全。

ITER項目

人類已經可以實現不受控制的核聚變，比如氫彈。但是挑戰在於如何束縛這種能量，並加以利用。核聚變產生的溫度高達至少上千萬攝氏度，沒有任何材料能夠承受的了。

科學家想到利用超導體產生極其強大的磁場來約束能量。ITER就是這樣一種裝置，它採用了託卡馬克設計，這是由前蘇聯提出的方案。

ITER項目於2006年由35個國家啟動，其中包括美國、俄羅斯、中國、英國、瑞士、印度、日本、韓國和歐盟的27個成員國。

ITER將是人類歷史上規模最大的國際科學合作項目，有望幫助人類到2050年實現獲得清潔、安全的能源。實驗的目標是證明可以在商業規模上持續且安全地產生聚變能。

根據計劃，2021年將完成設備安裝，2025年開始等離子體實驗，2035年開始進行-氚聚變實驗，目標是產生500兆瓦的熱能，或者連續200兆瓦的電能。

三維拼圖

這個託卡馬克核聚變反應堆總共將包含約100萬個部件，比如功能強大的超導磁體，其高度高達四層樓，每層重360噸。

大約有2300人在現場工作，以將機器組裝在一起。

主要部件的巨大尺寸和重量、系統裝配的微小公差、製造商的多樣性、緊張的時間表，所有這些因素結合在一起，使ITER成為一個工程和物流方面的巨大挑戰，每一個方面都必須精確地執行。

ITER項目比原定計劃晚了五年，其初始預算翻了三倍，達到約200億歐元。

ITER參數

等離子體大半徑：6.2米

等離子體小半徑：2.0米

等離子體容量：840立方米

等離子體電流：15.0兆安

軸向環形磁場強度：5.3特斯拉

聚變功率：500兆瓦

等離子體維持時間：>400秒

能量倍增因數（Q值）：>10

ITER建設

2006年11月，ITER的7個合作夥伴啟動這個項目。不久之後，挖掘機和鏟車開始進場工作。

接下來的幾年裡，由物理學家和工程師組成的國際團隊完成了這臺機器的設計，並開始將部件製造授予工業界。

2017年7月ITER完成了低溫恆溫器底座和底部柱體的安裝，為託卡馬克的安裝鋪平了道路。低溫恆溫器由印度製造，體積高達1.6萬立方米，直徑和高度都接近30米，重達3850噸。

低溫恆溫器底座

今年3月，歐洲核聚變能源機構對ITER廠房進行了最後的修飾，這是一個用於安裝機器部件的巨大大廳。

4月，從義大利和日本運來了前兩個環形線圈和超導磁體，它們各重360噸。

6月下旬，合肥製造的環向場線運抵。

環向線圈

由韓國運來的真空容器的第一個部分已經抵達法國，並將很快運送到工作現場。

真空容器的第一個部分

至此，整個建築和基礎設施已經完成了75%，隨著ITER的7個成員送來更多的裝置和部件，ITER的安裝步伐正在提速。

是時候把世界上最大的拼圖拼在一起了。

7月28日，國際熱核聚變實驗堆託卡馬克裝置安裝工程正式啟動。

ITER裝配階段啟動儀式

到2024年年底，低溫恆溫器的合攏將標誌著第一個組裝階段的結束。

ITER機器將進行為期一年的綜合調試和測試，並在2025年底完成第一個等離子體測試。這將是一次重要試驗，用以驗證磁場和關鍵系統的功能。

最初的低功率氫等離子體只持續幾毫秒，之後將會增加功率和持續時間。

ITER的最終目標，是生產10倍的聚變能增益係數（Q值=10），即從50MW的輸入功率上生產出約500MW的聚變功率，聚變脈衝持續時間為400~600秒。

反應堆溫度將達到約1.5億攝氏度，比太陽核心溫度高10倍，這能夠重現發生在恆星中心的聚變過程。

ITER與中國

2006年中國作為發起國加入了ITER。

ITER項目預計總耗資約為200億歐元，其中歐盟承擔約45.5%，剩餘的費用由中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國均攤（各約9.1%）。但實際上各國的支出都不是以現金的方式，而是以完成設施所需的組件、系統和建築部件等形式支付。

我國承擔了相當多的ITER建設工程

ITER 項目的基本原則是各成員相互分享新增智慧財產權，不在成員之外的國家傳播。中國加入 ITER 項目的好處是，以 10% 的投入，享受 100% 的智慧財產權。

最後，ITER仍然只是一個實驗驗證項目，即使 ITER 取得了成功，還需要大量的工作才能夠商業運行。因此，即使是最樂觀的估計，商業化核聚變也需要30年才有可能實現。

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