基本介紹

“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝置是一個能產(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”。2003年1月，國務(wù)院批準(zhǔn)我國參加ITER計劃談判，2006年5月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，中國ITER談判聯(lián)合小組代表我國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協(xié)定。這七方包括了全世界主要的核國家和主要的亞洲國家，覆蓋的人口接近全球一半。我國參加ITER計劃是基于能源長遠(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”實驗裝置輔助加熱工程的中性束注入系統(tǒng)在綜合測試平臺上成功實現(xiàn)100秒長脈沖氫中性束引出。

建設(shè)沿革

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

1985年，作為結(jié)束冷戰(zhàn)的標(biāo)志性行動之一，前蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈爾巴喬夫和美國總統(tǒng)里根在日內(nèi)瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動"國際熱核聚變實驗堆（ITER）"計劃。ITER計劃的目標(biāo)是要建造一個可自持燃燒（即"點火"）的托可馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工程問題做深入探索。

該計劃僅確定由美、俄、歐、日四方參加，獨立于聯(lián)合國原子能委員會（IAEA）之外，總部分設(shè)美、日、歐三處。由于當(dāng)時的科學(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)計很不合理，要求投資上百億美元。1998年，美國出于政治原因及國內(nèi)紛爭，以加強基礎(chǔ)研究為名，宣布退出ITER計劃。歐、日、俄三方則繼續(xù)堅持合作，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，大幅度修改實驗堆的設(shè)計。2001年，歐、日、俄聯(lián)合工作組完成了ITER裝置新的工程設(shè)計（EDA）及主要部件的研制，預(yù)計建造費用為50億美元（1998年價），建造期8至10年，運行期20年。其后，三方分別組織了獨立的審查，都認(rèn)為設(shè)計合理，基本上可以接受。

2002年，歐、日、俄三方以EDA為基礎(chǔ)開始協(xié)商ITER計劃的國際協(xié)議及相應(yīng)國際組織的建立，并表示歡迎中國與美國參加ITER計劃。中國于2003年1月初正式宣布參加協(xié)商，其后美國在1月末由布什總統(tǒng)特別宣布重新參加ITER計劃，韓國在2005年被接受參加ITER計劃協(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。七個成員國政府于2006年5月25日草簽了建設(shè)ITER的國際協(xié)定。目前國際組織正在組建，總干事和副總干事人選已確定。還有一些國家也正在考慮參加ITER計劃。

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，中國貢獻(xiàn)中的70%以上由我國制造所約定的ITER部件折算，10%由我國派出所需合格人員折算，需支付國際組織的外匯不到20%。

作為聚變能實驗堆，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50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時間達(dá)500秒。50萬千瓦熱功率已經(jīng)相當(dāng)于一個小型熱電站的水平。這將是人類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)堆奠定堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。對ITER裝置工程整體及各部件在50萬千瓦聚變功率長時間持續(xù)過程中產(chǎn)生的變化及可能出現(xiàn)問題的研究，不僅將驗證受控?zé)岷司圩兡艿墓こ炭尚行?，而且還將對今后如何設(shè)計和建造聚變反應(yīng)堆提供必不可少的信息。

ITER的建設(shè)、運行和實驗研究是人類發(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)計和建設(shè)，并進(jìn)而促進(jìn)商用聚變電站的更快實現(xiàn)。

ITER裝置是一個能產(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)50萬千瓦，每秒釋放多達(dá)1020個高能中子。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個大型超導(dǎo)環(huán)向場線圈（即縱場線圈）中。

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

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

上述系統(tǒng)整個被罩于一個大杜瓦中，坐落于底座上，構(gòu)成實驗堆本體。在本體外分布4個10兆瓦的強流粒子加速器，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)的等離子體診斷測量系統(tǒng)。

整個體系還包括：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（北京時間）消息，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室報告稱，世界大激光器、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）正距離其目標(biāo)越來越近，顯示了一個可持續(xù)核聚變反應(yīng)裝置正在由夢想逐步成為現(xiàn)實。不過在設(shè)施達(dá)到高度穩(wěn)定前，目前仍有一個顯著障礙有待克服。