全球最大「人造太陽」開始組裝，它到底能幹啥？

ITER項目 圖據「今日俄羅斯」

當地時間7月28日，世界上最大的核聚變項目、國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃安裝啟動儀式在法國南部卡達拉舍舉行。

長期以來，核聚變一直被視為是一種取之不竭的清潔安全能源選項。ITER項目旨在模擬太陽發光發熱的核聚變過程，探索受控核聚變技術商業化可行性。

ITER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，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、印度和俄羅斯共同資助。如果項目成功，它將為人類獲取無限量、無浪費、無汙染的能源鋪平道路，有助於解決地球面臨的氣候危機。

經過幾十年的醞釀和孵化，如今，ITER項目終於來到了「裡程碑式」節點——為期近五年的組裝階段。一旦組裝順利完成，地球上將誕生首個工業規模的核聚變裝置。

核聚變：「能量的聖杯」

核聚變，是太陽和恆星的能量來源。核聚變概念的出現可以追溯到20世紀20年代，此後科學家們一直在這一領域不斷深入探索。

目前的傳統核能獲取依賴於裂變，即重原子核被分解產生較輕的原子核。而核聚變則是將兩種輕原子核結合為一種重原子核，在此過程中會釋放出巨大的能量，但相比於核裂變，核聚變不會產生核輻射廢料，放射性極低。

核聚變如此誘人的一個原因是，反應所需的燃料是一種極為容易獲取且豐富的資源——氫元素。這種元素無處不在，可以從海水和鋰中提取出來，足以為人類提供數百萬年的無限量能源。一個菠蘿大小的氫元素相當於10000噸煤，足以為2300個家庭提供一年的電力。

視頻來源：新華網

由於核聚變的燃料現成、豐富，不存在熔解的物理可能性，輸出也不會產生二氧化碳。核聚變又被稱為地球「能量的聖杯」。當世界迫切需要替代能源來減少氣候變化帶來的嚴重影響時，它可以幫助生產零排放的能源。

然而迄今為止，核聚變在地球上作為一種發電方式，很大程度上仍處於理論階段。儘管科學家們已經成功實現了核聚變，但僅限於很短的時間，所產生的能量從未達到核聚變實際發生所需的能量。這是因為，產生可行的聚變能源仍然沒能被攻克。

要實現核聚變，等離子體——一種由帶電粒子（比如北極光）組成的氣態物質——必須被加熱到1.5億攝氏度的極高溫度，這比太陽核心的溫度還要高十倍。迄今為止，還沒有哪個反應堆能夠做到這一點。

多國合力託起「人造太陽」，核聚變研究迎來裡程碑

據新華網報導，正因如此，為了解決人類未來的能源問題，1985年ITER計劃倡議提出，工程設計於2001年完成。2006年，中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯及美國七方共30多個國家正式啟動了ITER計劃，建造「人造太陽」託卡馬克型聚變實驗堆，為以後核聚變發電站的可行性進行驗證。

託卡馬克裝置模型 圖據央視新聞

經過35年的集思廣益、規劃和前期生產，ITER終於來到了為期近5年的組裝階段。昨日（28日），ITER項目最核心部分託卡馬克裝置的安裝工程正式啟動，核聚變領域迎來了一個重要裡程碑。

託卡馬克裝置於20世紀60年代在蘇聯誕生，又被稱為「人造太陽」。這是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置，中央是一個環形真空，外面圍繞著線圈。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很高溫度，以達到受控核聚變的目的。時至今日，託卡馬克仍是工業規模核聚變的首選，也是ITER的核心。

據美國CBS報導，為了這一裡程碑式的時刻，ITER的全球各國研發團隊及承包商已耗費了數年的時間，從零開始製造數以百萬計的部件。ITER託卡馬克重達23000噸，直徑超30米，由數百萬個獨立部件組成，許多部件由各國團隊在本國進行製造和部分組裝，然後運輸至位於法國南部的ITER總部。

「一點點地建造這個機器就像在一個複雜的時間軸上組裝3D拼圖，項目管理、系統工程、風險管理和機械裝配物流的每一個方面都必須像打造瑞士手錶一樣精確。」ITER組織總幹事貝爾納·比戈在一份新聞稿中說。

託卡馬克裝置杜瓦底座的吊裝工作，由中核集團牽頭的中法聯合體在今年5月28日完成 圖據《大眾機械師》雜誌

《大眾機械師》雜誌形容道，ITER組裝階段更像是一個極具「突破性」的儀式，這個宏偉計劃終於開始以物理形式聚集在一起了。為此，各國為ITER量身定製了一切必需條件，包括位於法國普羅旺斯的總部建築，以及從最近的水域通往工廠的道路。

今年5月28日，託卡馬克的第一個組件、最外層的杜瓦底座就已成功安放完成。據央視新聞報導，這項工作是由中核集團牽頭的中法聯合體團隊完成。2019年9月，中核集團牽頭的中法聯合體團隊正式與ITER組織籤訂了託卡馬克主機TAC-1安裝標段工程合同。這是託卡馬克主機最重要的核心設備安裝工程，裝配部件數以萬計，且精度要求高、標準嚴苛。

不僅如此，中國科研機構還為實驗堆研製了大型超導磁體線圈等關鍵設備。據紅星新聞此前報導，中國承擔了9%的研發任務，覆蓋了ITER的部分核心部件研發。目前，中國的採購包不管是研發的進度還是完成的質量，都走在世界的前列。

ITER組織表示，該組織在人力和物力方面，一直以來都得到中方強有力的支持。中方不但輸送了大批優秀技術人才，在託卡馬克的組件供應方面，中方也一直以嚴謹的態度兌現承諾。

託卡馬克裝置杜瓦底座 央視新聞報導截圖

ITER組織總幹事貝爾納·比戈在7月28日的啟動儀式發布會上說，中國以快速的工程反應和科研進步，成為各合作方中兌現國際承諾的典範。

可望「改變遊戲規則」，商業化仍是馬拉松

ITER的實驗能證明實現可行核聚變的能力，並在此過程中為科學家們提供技術訣竅，幫助他們在世界各地加快商業核聚變工廠的建設。

根據ITER此前發表的公報，通過對項目進展的評估，託卡馬克裝置有望在2025年12月獲得第一束等離子體。在那之後，ITER將有幾年時間進行微調，並在2030年達成完全產生等離子體的目標。

哥倫比亞大學應用物理學教授麥可·莫埃爾稱ITER組裝的開始是「國際科學的一個裡程碑，也是通過共享資源、專業知識和對豐富、清潔能源未來的願景而可能取得的偉大成就的展示。」

ITER正在組裝的設備 圖據ITER官網

「ITER將會是一個『改變遊戲規則』的實驗，因為它建造得足夠大，可以像發電廠那樣釋放核聚變能量，而且它是第一個釋放核聚變能量超過注入核聚變能量的實驗。」莫埃爾教授說道。

英國原子能管理局（UKAEA）的執行長伊恩·查普曼教授向BBC新聞表示：「使用核聚變是為了改變世界——在為子孫後代提供清潔能源方面發揮巨大作用。我們都知道我們需要ITER來取得成功。它是核聚變商業化道路的一個裡程碑。」

ITER團隊表示，在未來，商業核聚變工廠將設計一個更大的等離子室，可提供10到15倍的電力。例如，一個2000兆瓦的核聚變發電廠將為200萬家庭提供電力。而建造和運營一個商業核聚變工廠的成本，預計將與傳統核電站成本相近，但不再有成本巨大且長期遺留的核廢物處理問題。

「第一束等離子體」插圖 圖據ITER官網

莫埃爾教授則指出，即便ITER實驗進展順利，聚變能源普及也可能仍需要幾十年的時間。「即使有越來越多的私營企業入局，以及強有力的國際支持，聚變能源商業化的競賽也是一場馬拉松，而不是短跑。」

ITER實驗將如何進行？

在安裝調試工作順利結束後，ITER將如何為人類提供「無汙染、無碳、安全、實際上不產生廢料的能源」？

據美國CBS報導，產生聚變能的過程既極其複雜，又簡單。首先，將幾克氘（重氫）和氚（超重氫）氣體注入託卡馬克巨大的環狀腔體中。然後將氫加熱，直到它變成雲狀的電離等離子體。10000噸的超導磁體對等離子體的流動及其形狀進行控制。

當等離子體達到1.5億攝氏度時，聚變就發生了。在聚變反應中，極少量的質量被轉化為巨大的能量，因為超高能量的中子從磁籠中逃逸出來，以熱的形式傳遞能量。熱能被在託卡馬克壁上的循環水吸收，形成蒸汽。在商業工廠裡，蒸汽渦輪機將產生電力。

在大約四年半的組裝後，ITER的科學家和工程師希望在2025年12月發射「第一束等離子體」。如果一切按計劃進行，ITER的工廠將產生大約500兆瓦的熱能。如果ITER持續運行並與電網相連，將能夠產生約200兆瓦的電力，足夠20萬戶家庭使用。

紅星新聞記者 王雅林 徐緩

來源：紅星深度

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