基本介紹

“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱“人造太陽(yáng)”。2003年1月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)我國(guó)參加ITER計(jì)劃談判，2006年5月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，中國(guó)ITER談判聯(lián)合小組代表我國(guó)政府與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同草簽了ITER計(jì)劃協(xié)定。這七方包括了全世界主要的核國(guó)家和主要的亞洲國(guó)家，覆蓋的人口接近全球一半。我國(guó)參加ITER計(jì)劃是基于能源長(zhǎng)遠(yuǎn)的基本需求。2013年1月5日中科院合肥物質(zhì)研究院宣布，“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置輔助加熱工程的中性束注入系統(tǒng)在綜合測(cè)試平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)100秒長(zhǎng)脈沖氫中性束引出。

建設(shè)沿革

由于聚變能的研究不僅關(guān)系到解決人類(lèi)能源問(wèn)題，而且還涉及眾多先進(jìn)且非常敏感的技術(shù)，因此，ITER計(jì)劃的形成除與科學(xué)技術(shù)本身的發(fā)展有關(guān)外，還始終與主要大國(guó)在政治和外交方面的考慮分不開(kāi)。本文將主要從科學(xué)和技術(shù)角度作一些分析和說(shuō)明。

1985年，作為結(jié)束冷戰(zhàn)的標(biāo)志性行動(dòng)之一，前蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈?duì)柊蛦谭蚝兔绹?guó)總統(tǒng)里根在日內(nèi)瓦峰會(huì)上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動(dòng)"國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）"計(jì)劃。ITER計(jì)劃的目標(biāo)是要建造一個(gè)可自持燃燒（即"點(diǎn)火"）的托可馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆，以便對(duì)未來(lái)聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工程問(wèn)題做深入探索。

該計(jì)劃僅確定由美、俄、歐、日四方參加，獨(dú)立于聯(lián)合國(guó)原子能委員會(huì)（IAEA）之外，總部分設(shè)美、日、歐三處。由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)和技術(shù)條件還不成熟，四方科技人員于1996年提出的ITER初步設(shè)計(jì)很不合理，要求投資上百億美元。1998年，美國(guó)出于政治原因及國(guó)內(nèi)紛爭(zhēng)，以加強(qiáng)基礎(chǔ)研究為名，宣布退出ITER計(jì)劃。歐、日、俄三方則繼續(xù)堅(jiān)持合作，并基于上世紀(jì)90年代核聚變研究及其他高新技術(shù)的新發(fā)展，大幅度修改實(shí)驗(yàn)堆的設(shè)計(jì)。2001年，歐、日、俄聯(lián)合工作組完成了ITER裝置新的工程設(shè)計(jì)（EDA）及主要部件的研制，預(yù)計(jì)建造費(fèi)用為50億美元（1998年價(jià)），建造期8至10年，運(yùn)行期20年。其后，三方分別組織了獨(dú)立的審查，都認(rèn)為設(shè)計(jì)合理，基本上可以接受。

2002年，歐、日、俄三方以EDA為基礎(chǔ)開(kāi)始協(xié)商ITER計(jì)劃的國(guó)際協(xié)議及相應(yīng)國(guó)際組織的建立，并表示歡迎中國(guó)與美國(guó)參加ITER計(jì)劃。中國(guó)于2003年1月初正式宣布參加協(xié)商，其后美國(guó)在1月末由布什總統(tǒng)特別宣布重新參加ITER計(jì)劃，韓國(guó)在2005年被接受參加ITER計(jì)劃協(xié)商。以上六方于2005年6月簽訂協(xié)議，一致同意把ITER建在法國(guó)核技術(shù)研究中心Cadarache，從而結(jié)束了激烈的"選址大戰(zhàn)"。印度于2006年加入ITER協(xié)商。七個(gè)成員國(guó)政府于2006年5月25日草簽了建設(shè)ITER的國(guó)際協(xié)定。目前國(guó)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(guó)家也正在考慮參加ITER計(jì)劃。

在ITER建設(shè)總投資的50億美元（1998年值）中，歐盟貢獻(xiàn)46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻(xiàn)約9%。根據(jù)協(xié)議，中國(guó)貢獻(xiàn)中的70%以上由我國(guó)制造所約定的ITER部件折算，10%由我國(guó)派出所需合格人員折算，需支付國(guó)際組織的外匯不到20%。

作為聚變能實(shí)驗(yàn)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(dá)837立方米的"磁籠"中，產(chǎn)生50萬(wàn)千瓦的聚變功率，持續(xù)時(shí)間達(dá)500秒。50萬(wàn)千瓦熱功率已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)小型熱電站的水平。這將是人類(lèi)第一次在地球上獲得持續(xù)的、有大量核聚變反應(yīng)的高溫等離子體，產(chǎn)生接近電站規(guī)模的受控聚變能。

在ITER上開(kāi)展的研究工作將揭示這種帶有氘氚核聚變反應(yīng)的高溫等離子體的特性，探索它的約束、加熱和能量損失機(jī)制，等離子體邊界的行為以及的控制條件，從而為今后建設(shè)商用的核聚變反應(yīng)堆奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)ITER裝置工程整體及各部件在50萬(wàn)千瓦聚變功率長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)過(guò)程中產(chǎn)生的變化及可能出現(xiàn)問(wèn)題的研究，不僅將驗(yàn)證受控?zé)岷司圩兡艿墓こ炭尚行裕疫€將對(duì)今后如何設(shè)計(jì)和建造聚變反應(yīng)堆提供必不可少的信息。

ITER的建設(shè)、運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)研究是人類(lèi)發(fā)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(shè)計(jì)和建設(shè)，并進(jìn)而促進(jìn)商用聚變電站的更快實(shí)現(xiàn)。

ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克。其裝置中心是高溫氘氚等離子體環(huán)，其中存在15兆安的等離子體電流，核聚變反應(yīng)功率達(dá)50萬(wàn)千瓦，每秒釋放多達(dá)1020個(gè)高能中子。等離子體環(huán)在屏蔽包層的環(huán)型包套中，屏蔽包層將吸收50萬(wàn)千瓦熱功率及核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的所有中子。

在包層外是巨大的環(huán)形真空室。在下側(cè)有偏慮器與真空室相連，可排出核反應(yīng)后的廢氣。真空室穿在16個(gè)大型超導(dǎo)環(huán)向場(chǎng)線圈（即縱場(chǎng)線圈）中。

環(huán)向超導(dǎo)磁體將產(chǎn)生5.3特斯拉的環(huán)向強(qiáng)磁場(chǎng)，是裝置的關(guān)鍵部件之一，價(jià)值超過(guò)12億美元。

穿過(guò)環(huán)的中心是一個(gè)巨大的超導(dǎo)線圈筒（中心螺管），在環(huán)向場(chǎng)線圈外側(cè)還布有六個(gè)大型環(huán)向超導(dǎo)線圈，即極向場(chǎng)線圈。中心螺管和極向場(chǎng)線圈的作用是產(chǎn)生等離子體電流和控制等離子體位形。

上述系統(tǒng)整個(gè)被罩于一個(gè)大杜瓦中，坐落于底座上，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)堆本體。在本體外分布4個(gè)10兆瓦的強(qiáng)流粒子加速器，10兆瓦的穩(wěn)態(tài)毫米電磁波系統(tǒng)，20兆瓦的射頻波系統(tǒng)及數(shù)十種先進(jìn)的等離子體診斷測(cè)量系統(tǒng)。

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

ITER本體內(nèi)所有可能的調(diào)整和維修都是通過(guò)遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人或機(jī)器手完成。

ITER裝置不僅反映了國(guó)際聚變能研究的新成果，而且綜合了當(dāng)今世界各領(lǐng)域的一些頂尖技術(shù)，如：大型超導(dǎo)磁體技術(shù)，中能高流強(qiáng)加速器技術(shù)，連續(xù)、大功率毫米波技術(shù)，復(fù)雜的遠(yuǎn)程控制技術(shù)等等。

2013年9月25日（北京時(shí)間）消息，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室報(bào)告稱，世界大激光器、被稱為“人造太陽(yáng)”的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）正距離其目標(biāo)越來(lái)越近，顯示了一個(gè)可持續(xù)核聚變反應(yīng)裝置正在由夢(mèng)想逐步成為現(xiàn)實(shí)。不過(guò)在設(shè)施達(dá)到高度穩(wěn)定前，目前仍有一個(gè)顯著障礙有待克服。