國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目是一項(xiàng)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，旨在證明聚變作為新能源的科學(xué)技術(shù)可行性，并為其工業(yè)化開(kāi)發(fā)鋪平道路。該組織宣布，到 2020 年底，該項(xiàng)目的 70% 以上已經(jīng)完成，用于首次等離子操作。

下一個(gè)重大步驟將是在 2025 年，屆時(shí)預(yù)計(jì)將產(chǎn)生第一個(gè)過(guò)熱等離子體，然后在 2035 年達(dá)到全功率，以證明有可能產(chǎn)生比目前使用的更多的能量。過(guò)程。

該項(xiàng)目源于2006 年由七個(gè)合作伙伴簽署的ITER協(xié)議：中國(guó)、歐洲、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)。他們共同管理 ITER 組織，該組織負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)項(xiàng)目，并匯集財(cái)政和科學(xué)資源。Fusion for Energy（F4E）是歐盟組織，負(fù)責(zé)歐洲對(duì)ITER的貢獻(xiàn)和聚變能的發(fā)展。

F4E 的項(xiàng)目經(jīng)理 Ferran Albajar 解釋說(shuō)，該項(xiàng)目將使科學(xué)家能夠研究一種“燃燒等離子體”，該等離子體將提供比現(xiàn)在使用的更高的聚變功率輸出（500 MW）和更長(zhǎng)的時(shí)間（約 7 分鐘）。 16 MW 和幾秒鐘）。同樣重要的是，它將使工程師能夠?yàn)槲磥?lái)的聚變工廠驗(yàn)證技術(shù)。

ITER 基于托卡馬克的概念，其中高磁場(chǎng)將氫同位素限制在容器中，通過(guò)高溫轉(zhuǎn)化為等離子體。

聚變能

化石燃料、核能和可再生能源都是我們熟悉和利用的所有類型的能源。鑒于我們雄心勃勃的氣候變化目標(biāo)，歐盟和世界其他地區(qū)必須將注意力轉(zhuǎn)向更清潔的能源，以實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型。另一方面，僅投資于可再生能源可能不足以確保經(jīng)濟(jì)可靠和安全的能源供應(yīng)。

推動(dòng)恒星的能量稱為聚變。我們的太陽(yáng)是一個(gè)巨大的聚變裝置——我們太陽(yáng)系中最大的。氫原子在太陽(yáng)核心中以驚人的速度運(yùn)動(dòng)。氫原子結(jié)合形成一個(gè)較重的氦原子。這個(gè)過(guò)程會(huì)以光和熱的形式釋放大量能量。

“我們需要兩種氫同位素來(lái)產(chǎn)生聚變反應(yīng)：氘和氚；然而，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘入x子體中的原子核都帶正電，所以它們相互排斥，”Albajar 解釋說(shuō)。“由于太陽(yáng)的巨大引力，氫原子在 1500 萬(wàn)攝氏度的溫度下點(diǎn)燃。然而，由于地球上的引力較小，它們必須被加熱到高達(dá) 1.5 億攝氏度的溫度才能碰撞和融合。”

氘是一種可能存在于海水中的礦物質(zhì)?！拔覀冇匈Y源可以繼續(xù)運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)年，”Albajar 補(bǔ)充道?！皬牡貧ぶ惺占匿嚳捎糜谥圃祀??！?/p>

從 500 升水中提取的部分足以滿足普通公民一生的能源需求。在那之后，水仍然可以飲用。氫同位素融合的結(jié)果是用于氣球的氦氣。

通過(guò)無(wú)數(shù)次測(cè)試，幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖弄清楚如何創(chuàng)造這種能量。盡管這個(gè)概念是基本的，但他們遇到了許多障礙。氫原子在 100 萬(wàn)攝氏度時(shí)粉碎，產(chǎn)生等離子體，一種“帶電氣體”。

他們提出了托卡馬克的概念，這是一個(gè)包含使用高磁場(chǎng)的熱等離子體的腔室。這就是它們?nèi)绾萎a(chǎn)生等離子體，即物質(zhì)的第四種狀態(tài)。

ITER項(xiàng)目

托卡馬克的甜甜圈形真空室是它跳動(dòng)的心臟。在內(nèi)部，由于強(qiáng)烈的熱量，氣態(tài)氫燃料轉(zhuǎn)化為等離子體——一種帶電的熱氣體。等離子體提供了輕元素可以結(jié)合并提供能量的環(huán)境，無(wú)論是在恒星中還是在聚變裝置中。

等離子體中的帶電粒子由超強(qiáng)磁線圈成形，科學(xué)家們利用磁線圈使加熱的等離子體遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的壁，并且密度足以使粒子融合。為了開(kāi)始操作，真空室中的空氣和雜質(zhì)被排空。然后將輔助、容納和調(diào)節(jié)等離子體的磁體系統(tǒng)充電，然后引入氣體燃料。當(dāng)高電流通過(guò)容器時(shí)，氣體會(huì)發(fā)生電分解，變得電離（電子從原子核中移除）并產(chǎn)生等離子體。

等離子粒子在充電和碰撞時(shí)開(kāi)始升溫。當(dāng)前的技術(shù)可以達(dá)到聚變溫度（1.5 億至 3 億攝氏度）。當(dāng)粒子被“激發(fā)”時(shí)，它們會(huì)發(fā)生碰撞，克服它們固有的電磁排斥和融合。聚變會(huì)釋放出巨大的能量。

ITER 將成為世界上最大的托卡馬克，其等離子體室容積是目前運(yùn)行中的最大機(jī)器的 10 倍。

ITER 基地的建設(shè)工作于 2007 年在法國(guó)南部的卡達(dá)拉什開(kāi)始，占地 42 公頃，現(xiàn)在安置托卡馬克裝置，正在組裝各種建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)電廠。ITER 是最復(fù)雜的工程項(xiàng)目之一，將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)組件來(lái)組裝這個(gè)重達(dá) 23,000 噸的巨型反應(yīng)堆。

為了從磁約束等離子體產(chǎn)生聚變能并最終產(chǎn)生電能，我們需要將燃料（氫同位素）加熱到約 1.5 億攝氏度，并保持其熱度、清潔和形狀，以便保持聚變反應(yīng)并安全產(chǎn)生熱量消散。“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在超導(dǎo)磁體、低溫學(xué)、材料、真空、診斷、控制和等離子體加熱等領(lǐng)域需要一系列令人印象深刻的最先進(jìn)技術(shù)，”他說(shuō)。

ITER 將使用超導(dǎo)磁體來(lái)限制等離子體（環(huán)形場(chǎng)線圈）并保持其形狀和穩(wěn)定性（極向場(chǎng)線圈）。他們將建造一個(gè)磁籠，使熱等離子體遠(yuǎn)離機(jī)器的容器。在68,000 A的驅(qū)動(dòng)下，磁場(chǎng)可能達(dá)到11.8特斯拉，幾乎是地球磁場(chǎng)的250,000倍。每塊磁鐵大小為17×9米，重320噸，相當(dāng)于一架空客A350。

“加熱和供電系統(tǒng)將在不同設(shè)備需要時(shí)整體或局部提高超熱等離子體的功率，”Albajar 說(shuō)?！半娮踊匦铀倨?[EC] 電源系統(tǒng)就是其中之一，如下所述。”

其他重要部件包括真空容器，它將是一個(gè)雙壁容器，用于在真空中容納聚變反應(yīng)；低溫系統(tǒng)，將冷卻磁鐵并達(dá)到理想的真空條件；遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)將使用復(fù)雜的人在回路機(jī)器人技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行操作，以提供對(duì) ITER 設(shè)備內(nèi)部組件的維護(hù)、檢查和更換，以及將監(jiān)測(cè)托卡馬克等離子體性能的診斷系統(tǒng)。

電子回旋加速器是等離子體加熱系統(tǒng)之一?！皻W洲與在電力電子領(lǐng)域有著悠久傳統(tǒng)的瑞士制造商 Ampegon 合作，已經(jīng)交付了四臺(tái)額定功率為 6 MW 的電源，這些電源將用于點(diǎn)亮第一臺(tái) ITER 等離子體，”Albajar 說(shuō)。“該公司在射頻放大器方面擁有良好的業(yè)績(jī)記錄，已成功轉(zhuǎn)讓其在高壓和大電流電力系統(tǒng)方面的專業(yè)知識(shí)?！?/p>

EC 可視為大型微波爐。它從電網(wǎng)獲取電力并將其轉(zhuǎn)換為受控電壓，然后再將其饋送到射頻源（稱為回旋管），從而產(chǎn)生加熱 ITER 等離子體的固體電磁波。從理論上講，這看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但有一個(gè)問(wèn)題：電壓必須很高（額定值為 55 kV）、穩(wěn)定且能夠快速變化。“為了保護(hù) ITER 上的 EC 組件，它們必須在 10 μs 內(nèi)關(guān)閉，”Albajar 說(shuō)?！皻W洲負(fù)責(zé)提供神奇的‘火柴’，點(diǎn)亮世界上最大的等離子屏幕。運(yùn)行八個(gè)高壓主電源所需的能量相當(dāng)于運(yùn)行一所住宅所需的能量。”

與此同時(shí)，Ampegon 還提前交付了用于 EC 和離子回旋加熱系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備將從電網(wǎng)輸送電力，為射頻系統(tǒng)供電。“設(shè)備正在儲(chǔ)存中，在接下來(lái)的幾年里，它將在 ITER 中安裝和調(diào)試，”他補(bǔ)充道。

中性光束是另一個(gè)主要的等離子加熱系統(tǒng)?！霸?ITER 中，中性射束注入器將在等離子體核心注入高能粒子，以壓碎現(xiàn)有的等離子體并提高其溫度，”Albajar 說(shuō)。此外，粒子將以 1 MV 加速，然后被中和以通過(guò)限制等離子體的磁場(chǎng)。

融合技術(shù)

從早期的科學(xué)論證到實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)聚變等離子體持續(xù)時(shí)間或接近等離子體收支平衡（當(dāng)?shù)入x子體釋放至少與加熱它們所需的能量一樣多時(shí)），近幾十年來(lái)磁約束聚變的發(fā)展進(jìn)展令人印象深刻。然而，在地球上發(fā)生聚變的條件，以及獲得持續(xù)的正能量增益，仍然極其難以實(shí)現(xiàn)。

“需要世界各地各方的許多技術(shù)突破才能建造 ITER；將需要其他人來(lái)建造 DEMO [示范發(fā)電廠，由歐洲聯(lián)盟 EUROfusion 設(shè)計(jì)的原型聚變反應(yīng)堆]，”Albajar 說(shuō)。從另一個(gè)角度來(lái)看，國(guó)際合作是收集大型復(fù)雜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目科學(xué)技術(shù)知識(shí)的關(guān)鍵。這些主要由公共資金資助的項(xiàng)目也受到發(fā)展新清潔能源和應(yīng)對(duì)氣候變化的政治意愿的制約。. Albajar 說(shuō)：“不應(yīng)忘記，已經(jīng)建立了幾項(xiàng)私人計(jì)劃來(lái)探索聚變能的潛力?！?“ITER在很大程度上為將聚變能置于聚光燈下提供了一定的動(dòng)力。此外，參與生產(chǎn)聚變組件的公司和實(shí)驗(yàn)室看到了他們的參與帶來(lái)的切實(shí)好處。

“就整體進(jìn)展而言，我們已經(jīng)完成了第一次等離子操作所需的 72.1% 和超過(guò)第一次等離子操作所需的 57.7%，”他補(bǔ)充道?！霸诮ㄖ突A(chǔ)設(shè)施方面，我們?cè)诟鱾€(gè)方面都取得了進(jìn)展。ITER 裝置所在的托卡馬克大樓已經(jīng)開(kāi)始接收第一批組件。ITER 裝置的組裝于去年正式開(kāi)始，并且正在進(jìn)行中。歐洲的設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)交付。例如，10個(gè)TF線圈中的第5個(gè)已經(jīng)到貨，機(jī)器上安裝了兩個(gè)歐洲制造的極向場(chǎng)線圈，低溫裝置已經(jīng)通過(guò)了壓力測(cè)試，即將開(kāi)始調(diào)試。就大局而言，我們的計(jì)劃是證明聚變能是一種替代能源，

如果 ITER 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，DEMO 將是 ITER 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的理想繼承者，應(yīng)該會(huì)發(fā)電。從 ITER 到 DEMO 意味著將機(jī)器連接到電網(wǎng)并產(chǎn)生 300-MW 至 500-MW 的凈電力。雖然 ITER 必須證明可以從等離子體中獲得比消耗更多的能量，但 DEMO 必須證明聚變發(fā)電。

審核編輯 黃昊宇