歷經(jīng)十四年籌備，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）在法國南部正式開始組裝工作，意味著人類距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變又近了一步。該項(xiàng)目由 35 個(gè)國家合作完成，中國提供了磁體饋線、極向場線圈等重要部件。

可控核聚變被稱為“人造太陽”，能用極少量的清潔燃料產(chǎn)生大量能量，被視為解決能源和氣候問題的理想方案。接下來，ITER 計(jì)劃用 4.5 年完成安裝，到 2025 年進(jìn)行第一次等離子體放電，最終驗(yàn)證核聚變商業(yè)化應(yīng)用的可行性。

圖片來源：ITER

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 7 月 28 日，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），在法國南部正式開始組裝，這也標(biāo)志著新能源時(shí)代的開始。35 個(gè)合作國家的領(lǐng)導(dǎo)人通過視頻遠(yuǎn)程參加了慶典。

近幾個(gè)月，來自世界各地的組件陸續(xù)抵達(dá)法國，使得 ITER 的組裝啟動(dòng)成為可能。這表明共同參與 ITER 國際研究項(xiàng)目的 35 個(gè)國家愿意以這種方式來共同應(yīng)對氣候變化。

太陽通過核聚變產(chǎn)生能量，向地球傳遞光和熱，使地球上的生命得以延續(xù)。ITER 就是通過模仿太陽的核聚變過程，以達(dá)到產(chǎn)生能量的目的。核聚變能夠提供清潔、可靠的能源，并且不產(chǎn)生碳排放。核聚變也是安全的，因?yàn)樗恍枰倭康娜剂?，并且物理上不存在因熔毀而發(fā)生泄漏事故的可能。

核聚變的燃料存在于海水和金屬鋰中，可以持續(xù)供應(yīng)幾百萬年。一個(gè)菠蘿大小的核燃料所釋放的能量就相當(dāng)于 1 萬噸煤燃燒釋放的能量。

建造和運(yùn)營一座核聚變反應(yīng)堆的成本與核裂變反應(yīng)堆的成本相近，但它產(chǎn)生的廢棄物不需要花費(fèi)高昂的成本和漫長的時(shí)間進(jìn)行處理。

一旦 ITER 項(xiàng)目完成，它將證明核聚變可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)作，持續(xù)產(chǎn)生能量。

前所未有的國際合作

上世紀(jì) 50 年代，蘇聯(lián)科學(xué)家首次提出了托卡馬克的概念——磁約束聚變，此后核聚變能量研究一直是國際上廣泛合作的領(lǐng)域。ITER 項(xiàng)目于 2006 年誕生，35 個(gè)合作國家包括歐盟成員國（加上英國和瑞士）、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。

這些國家總計(jì)擁有世界 50% 以上的人口，全球 80% 以上的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP），匯集了大量的專業(yè)知識(shí)和資源，使建造世界上第一個(gè)具有工業(yè)規(guī)模的核聚變裝置成為可能。

法國是東道國。歐盟、英國和瑞士是東道主成員國，它們?yōu)?ITER 項(xiàng)目提供了 45% 的資金。其他成員國各出資 9%，即美國、中國、日本、俄羅斯、印度和韓國。

ITER 成員國的貢獻(xiàn)約 90% 以實(shí)物形式提供，增加了這個(gè)多重機(jī)器的國際復(fù)雜性。這個(gè)機(jī)器被稱為托卡馬克（Tokamak），它來自俄語，意為“磁環(huán)”。完成后的托卡馬克將由 100 多萬個(gè)部件組成。

托卡馬克裝置示意圖。圖片來源：ITER

為了準(zhǔn)備機(jī)器組裝，近幾個(gè)月來，這些前所未有的巨型部件已經(jīng)陸續(xù)運(yùn)抵法國。大部分的部件都重達(dá)幾百噸，長度超過 15 米。這些零件是世界各地工廠、大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室 5 年多來的技術(shù)結(jié)晶。

托卡馬克組件必須滿足非常嚴(yán)格的規(guī)范。它們還必須遵循一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間表，按時(shí)到達(dá)法國。ITER總干事Bernard Bigot博士說：“一部分一部分地組裝機(jī)器，就像在一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間軸上組裝一個(gè)三維拼圖?！?/p>

他說：“項(xiàng)目管理、系統(tǒng)工程、風(fēng)險(xiǎn)管理和機(jī)器裝配物流的每一個(gè)方面都必須協(xié)同配合，像瑞士手表一樣精確。未來幾年，我們有一個(gè)復(fù)雜的流程需要遵循?！?/p>

組裝工作將于 2025 年 12 月結(jié)束。到那時(shí)，ITER 項(xiàng)目的科學(xué)家和工程師們將進(jìn)行第一次等離子體放電。

托卡馬克將提供多少能量？

ITER 項(xiàng)目的核電站將產(chǎn)生大約 500 兆瓦的熱能。如果持續(xù)運(yùn)行并接入電網(wǎng)，產(chǎn)生的能量將轉(zhuǎn)化為大約 200 兆瓦的電能，足夠 20 萬戶家庭使用。

商業(yè)核聚變電站可能采用稍大一點(diǎn)的等離子體室，一座電站可以提供的電力相當(dāng)于 ITER 的 10 到 15 倍。一座 2000 兆瓦的核聚變電站可以為 200 萬戶家庭供電。

并且，核聚變發(fā)電廠運(yùn)行過程中沒有碳排放，也就是說不會(huì)釋放二氧化碳。但是核聚變技術(shù)對解決氣候變化問題的貢獻(xiàn)取決于核聚變反應(yīng)堆建造的速度。目前，超過 70%的碳排放來自于能源的使用，超過 80%的能源消耗又來自于化石燃料。

Bigot 博士預(yù)測說：“如果核聚變能夠投入廣泛使用，并成為可再生能源的補(bǔ)充，那么電力的使用量將大大提升，由交通、建筑和工業(yè)所帶來的溫室氣體排放將減少。實(shí)現(xiàn)僅使用清潔能源將是我們這個(gè)星球的一個(gè)奇跡?！?/p>

ITER 都有哪些部件？

ITER 組件建造分工，中國主要參與建造磁體饋線（feeder，左上角）和極向場線圈（PF coils，左下角）。圖片來源：ITER

｜低溫恒溫器

由印度制造的低溫恒溫器（Cyrostat）是托卡馬克真空容器和限制超熱等離子體的超導(dǎo)磁體周圍的“保溫瓶”。

它高 30 米，直徑 30 米，是有史以來最大的不銹鋼真空室。它包含四個(gè)主要部分：底座、下氣缸、上氣缸和上蓋。下筒體的尺寸與巨石陣相當(dāng)。

低溫恒溫器的基座部分重 1250 噸，是 ITER 最重的部件。它是第一個(gè)被安裝到托卡馬克坑的主要部件，于 5 月完成安裝，以不到 3 毫米的精度固定到位。

低溫恒溫器的基座。圖片來源：ITER Organization/EJF Riche

｜ITER 磁體

ITER 使用三種緊密結(jié)合的磁體來容納、控制、塑造和脈沖出 1.5 億攝氏度的等離子體。為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，磁體內(nèi)部用 -269 攝氏度的液氦進(jìn)行冷卻，這相當(dāng)于星際空間的溫度。

｜環(huán)向場線圈

該組件由日本和歐洲制造，其部件來自中國、韓國和俄羅斯。超過 40 家公司參與了這 18 個(gè)環(huán)向場（TF）線圈的制造。

TF 線圈的作用是限制電離等離子體粒子。每一塊磁鐵都有四層樓高，重 360 噸。首批兩個(gè) TF 線圈已于 4 月份從日本和意大利運(yùn)抵 ITER 現(xiàn)場。

｜極向場線圈

這些環(huán)形磁體由中國、歐洲和俄羅斯制造，將安裝于 TF 線圈系統(tǒng)之外。極向場（PF）線圈約束等離子體的形狀，并使其遠(yuǎn)離壁面。

共有 6 個(gè)PF線圈，直徑從 10 米到 24 米不等，重量高達(dá) 400 噸。第一個(gè) PF 線圈 5 月份從中國運(yùn)抵 ITER。第二個(gè)由歐洲在裝配現(xiàn)場制造。

在 ITER China 網(wǎng)站上可以查看所有中國制造的部件。網(wǎng)址：http://www.iterchina.cn/index.html

｜中心螺管

中心螺管（Central Solenoid，CS）由美國制造，這是 ITER 磁體組件中最強(qiáng)大的一個(gè)。它有時(shí)被稱為 ITER 的“跳動(dòng)的心臟”，因?yàn)樗軌蛟诘入x子體中以長脈沖的形式啟動(dòng)一個(gè)強(qiáng)大的電流。

中心螺管由六個(gè)模塊組成，組裝后將達(dá)到 13 米或 18 米高，并附帶支撐結(jié)構(gòu)，重量將達(dá)到一千噸。它的磁力將足以吸起一艘航空母艦。

CS 線圈組相互獨(dú)立運(yùn)行，將產(chǎn)生巨大的電磁力，拉向不同的方向。支撐結(jié)構(gòu)所要承受的力達(dá)到航天飛機(jī)升空時(shí)推力的兩倍。第一個(gè) CS 模塊將于 2020 年秋季抵達(dá) ITER 所在地。

｜真空容器

真空容器的部件來自韓國（4 個(gè)部件）和歐洲（5 個(gè)部件），突出的端口由俄羅斯提供。真空容器是一個(gè)密封的、甜甜圈形狀的不銹鋼腔體。在其內(nèi)部，等離子體粒子可以不接觸腔壁，不斷地旋轉(zhuǎn)。

真空容器的 44 個(gè)端口連接遠(yuǎn)程操作、診斷、加熱和真空系統(tǒng)。容器內(nèi)表面的包層模塊將屏蔽核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子。

ITER 真空容器（體積 840 m3）中心容納的等離子體體積是其他托卡馬克裝置的 10 倍。第一個(gè)真空容器部件于 7 月 21 日抵達(dá)法國，機(jī)器開始組裝。

｜建筑和土木工程

整個(gè) ITER 工地的建筑和土木工程由歐洲建造，大約完成了 75%。以下是三個(gè)示例。

托卡馬克廠房和裝配大廳已經(jīng)完工，上方是一臺(tái) 170 米高的門式起重機(jī)，支撐著兩臺(tái) 750 噸重的起重機(jī)，用于運(yùn)輸和定位部件。

世界上最大的集中式低溫設(shè)備，已經(jīng)完成了 60%。它提供液氮制造超低溫，使超導(dǎo)磁體得以運(yùn)作。這些設(shè)備來自中國、印度、瑞典、捷克共和國、芬蘭、意大利、日本和法國。超低溫管線（cryolines）主要來自印度。

磁體供能轉(zhuǎn)換廠房（Magnet Power Conversion buildings）將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為 ITER 的磁體供能，其電壓和電流保持在精確的數(shù)值，內(nèi)部設(shè)備由中國、印度、韓國和俄羅斯專門設(shè)計(jì)。

磁體供能轉(zhuǎn)換廠房示意圖，中國提供了其中 14 個(gè)變流器。圖片來源：https://www.iter.org/newsline/-/2779

ITER 中心組織負(fù)責(zé)整合來自世界各地的組件來組裝 ITER，包括托卡馬克本身的組裝以及支持系統(tǒng)的并行安裝，支持系統(tǒng)包括射頻加熱、燃料循環(huán)、低溫、冷卻水、真空、控制和高壓電氣系統(tǒng)。

主要組裝活動(dòng)將在托卡馬克大樓進(jìn)行，ITER 設(shè)備將安裝在部分嵌入的混凝土生物防護(hù)罩中。在裝配階段，這座建筑將保持潔凈和恒溫，以避免最大型的部件出現(xiàn)哪怕最輕微的變形。組裝、支撐和定位托卡馬克組件將用到超過 150 個(gè)專用工具，其中一些重達(dá) 800 噸。

環(huán)形托卡馬克將分為 9 個(gè)子組件，在鄰近的裝配大廳內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝配。每一個(gè)子組件的弧度為 40 度，其中包含一塊環(huán)形真空容器組件、一個(gè)保護(hù)性的鍍銀隔熱罩和兩個(gè)環(huán)形磁場線圈。

托卡馬克主要部件的尺寸、重量、微小的公差、制造商的多樣性以及緊湊的日程安排，使得 ITER 成為一個(gè)巨大的工程和物流挑戰(zhàn)。組裝 ITER 設(shè)備將花費(fèi) 4.5 年的時(shí)間。

核聚變反應(yīng)堆的工作過程

雖然數(shù)百個(gè)托卡馬克已經(jīng)被建造，但I(xiàn)TER 項(xiàng)目中的托卡馬克將是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“燃燒”，或者說自加熱等離子體的裝置。在核聚變反應(yīng)中，微小的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量，主要反應(yīng)過程如下：

1. 幾克氘和氚氣體被注入一個(gè)巨大的、甜甜圈形狀的反應(yīng)室，即托卡馬克；

2. 加熱氣體，直到它變成云狀的電離等離子體；

3. 總重量達(dá)一萬噸的超導(dǎo)磁體制造并控制電離等離子體；

4.當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到 1.5 億攝氏度，就會(huì)發(fā)生核聚變，這一溫度達(dá)到太陽核心溫度的 10倍；

5.核聚變產(chǎn)生的超高能中子逃逸出磁籠，以熱的形式傳遞能量；

6.在托卡馬克水冷壁內(nèi)循環(huán)的水可以吸收逸出的熱量并產(chǎn)生蒸汽，在商業(yè)反應(yīng)堆里，這一過程帶動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。