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基本介紹

“國(guo)際熱(re)核聚變(bian)實驗堆（ITER）計(ji)劃(hua)”是(shi)目前全(quan)球規模最大、影響最深(shen)遠的(de)國(guo)際科研合作項目之一，建造(zao)約(yue)需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝(zhuang)置(zhi)是(shi)一個能產生(sheng)大規模核聚變(bian)反應(ying)的(de)超(chao)導(dao)托克馬克，俗稱(cheng)“人(ren)造(zao)太陽(yang)”。2003年1月，國(guo)務院批(pi)準我國(guo)參加(jia)ITER計(ji)劃(hua)談判，2006年5月，經國(guo)務院批(pi)準，中國(guo)ITER談判聯合小(xiao)組代表(biao)我國(guo)政(zheng)府與歐盟、印度(du)、日本、韓國(guo)、俄(e)羅斯和美國(guo)共同草簽了ITER計(ji)劃(hua)協定。這七方包括了全(quan)世界主要(yao)(yao)的(de)核國(guo)家和主要(yao)(yao)的(de)亞洲(zhou)國(guo)家，覆蓋的(de)人(ren)口(kou)接近全(quan)球一半(ban)。我國(guo)參加(jia)ITER計(ji)劃(hua)是(shi)基于能源長遠的(de)基本需求。2013年1月5日中科院合肥物質研究院宣布，“人(ren)造(zao)太陽(yang)”實驗裝(zhuang)置(zhi)輔助加(jia)熱(re)工程的(de)中性(xing)束(shu)注入(ru)系統在(zai)綜(zong)合測試平臺上(shang)成功(gong)實現100秒長脈沖氫中性(xing)束(shu)引出。

建設沿革

由于(yu)聚變能(neng)的(de)(de)(de)研究不僅關系到(dao)解(jie)決人類能(neng)源問題，而(er)且(qie)還(huan)涉及眾多先進且(qie)非常敏(min)感的(de)(de)(de)技(ji)術，因此，ITER計劃的(de)(de)(de)形成(cheng)除(chu)與(yu)科(ke)學技(ji)術本身的(de)(de)(de)發展(zhan)有關外(wai)，還(huan)始(shi)終與(yu)主(zhu)要(yao)大(da)國在政(zheng)治和(he)外(wai)交方面的(de)(de)(de)考(kao)慮(lv)分(fen)不開。本文將(jiang)主(zhu)要(yao)從科(ke)學和(he)技(ji)術角度作一些(xie)分(fen)析和(he)說明。

1985年，作為結(jie)束冷戰的(de)標(biao)(biao)志性行動之(zhi)一(yi)，前(qian)蘇聯領導人戈爾巴喬夫(fu)和(he)美(mei)國(guo)總(zong)統里根在(zai)日內瓦峰會上倡議，由美(mei)、蘇、歐、日共同(tong)啟(qi)動"國(guo)際熱核(he)聚(ju)變(bian)實驗(yan)堆(dui)(dui)（ITER）"計(ji)劃(hua)。ITER計(ji)劃(hua)的(de)目標(biao)(biao)是要建造一(yi)個可(ke)(ke)自持燃燒(shao)（即"點火"）的(de)托(tuo)可(ke)(ke)馬克(ke)核(he)聚(ju)變(bian)實驗(yan)堆(dui)(dui)，以(yi)便對未(wei)來(lai)聚(ju)變(bian)示范堆(dui)(dui)及商用聚(ju)變(bian)堆(dui)(dui)的(de)物理和(he)工程問題做(zuo)深入探索。

該計劃僅確定(ding)由(you)美、俄(e)、歐、日(ri)四(si)方參(can)加，獨立于聯(lian)(lian)合(he)國原(yuan)子能委員會（IAEA）之外，總部分設(she)(she)美、日(ri)、歐三(san)處。由(you)于當時的(de)科(ke)學和技(ji)術條件(jian)還不(bu)成熟(shu)，四(si)方科(ke)技(ji)人員于1996年(nian)提出的(de)ITER初步(bu)設(she)(she)計很不(bu)合(he)理，要(yao)求投資上百億美元。1998年(nian)，美國出于政治原(yuan)因(yin)及國內紛爭，以加強(qiang)基(ji)(ji)礎研究(jiu)為名，宣布(bu)退出ITER計劃。歐、日(ri)、俄(e)三(san)方則繼(ji)續堅持合(he)作(zuo)，并基(ji)(ji)于上世(shi)紀90年(nian)代核聚(ju)變研究(jiu)及其(qi)他高(gao)新技(ji)術的(de)新發展，大幅度(du)修改實驗堆(dui)的(de)設(she)(she)計。2001年(nian)，歐、日(ri)、俄(e)聯(lian)(lian)合(he)工作(zuo)組(zu)完成了ITER裝置(zhi)新的(de)工程設(she)(she)計（EDA）及主要(yao)部件(jian)的(de)研制，預計建造費(fei)用為50億美元（1998年(nian)價(jia)），建造期8至(zhi)10年(nian)，運行期20年(nian)。其(qi)后，三(san)方分別組(zu)織(zhi)了獨立的(de)審查，都認為設(she)(she)計合(he)理，基(ji)(ji)本上可以接受(shou)。

2002年(nian)(nian)，歐、日(ri)、俄三方(fang)以EDA為(wei)基(ji)礎(chu)開始協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)商ITER計劃(hua)(hua)的國(guo)際(ji)(ji)協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)議(yi)及相(xiang)應國(guo)際(ji)(ji)組織的建(jian)立，并表示(shi)歡(huan)迎中國(guo)與(yu)美(mei)國(guo)參(can)(can)加ITER計劃(hua)(hua)。中國(guo)于2003年(nian)(nian)1月(yue)初正式宣布參(can)(can)加協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)商，其后美(mei)國(guo)在(zai)1月(yue)末由布什總統(tong)特別(bie)宣布重新參(can)(can)加ITER計劃(hua)(hua)，韓國(guo)在(zai)2005年(nian)(nian)被接受(shou)參(can)(can)加ITER計劃(hua)(hua)協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)商。以上六方(fang)于2005年(nian)(nian)6月(yue)簽訂(ding)協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)議(yi)，一致(zhi)同意把ITER建(jian)在(zai)法國(guo)核技術研究(jiu)中心Cadarache，從而結束了激烈的"選(xuan)址大戰"。印(yin)度于2006年(nian)(nian)加入ITER協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)商。七(qi)個成員國(guo)政(zheng)府于2006年(nian)(nian)5月(yue)25日(ri)草簽了建(jian)設ITER的國(guo)際(ji)(ji)協(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)定。目(mu)前國(guo)際(ji)(ji)組織正在(zai)組建(jian)，總干事和副總干事人選(xuan)已確(que)定。還有一些國(guo)家也正在(zai)考(kao)慮參(can)(can)加ITER計劃(hua)(hua)。

在ITER建設總(zong)投(tou)資的(de)50億(yi)美元（1998年值）中(zhong)，歐盟貢(gong)獻(xian)46%，美、日、俄、中(zhong)、韓、印各貢(gong)獻(xian)約9%。根(gen)據協議，中(zhong)國(guo)貢(gong)獻(xian)中(zhong)的(de)70%以上由我(wo)(wo)國(guo)制造所約定(ding)的(de)ITER部件折(zhe)算(suan)(suan)，10%由我(wo)(wo)國(guo)派出(chu)所需合格人員(yuan)折(zhe)算(suan)(suan)，需支付(fu)國(guo)際組織的(de)外匯不到20%。

作為(wei)聚變能實驗堆，ITER要把上億度、由氘氚組成的(de)高(gao)溫(wen)等(deng)離子(zi)體約束在體積達837立方米的(de)"磁籠"中，產生(sheng)50萬千瓦的(de)聚變功率，持續(xu)時間(jian)達500秒(miao)。50萬千瓦熱功率已經相當于一(yi)個小型熱電站的(de)水平(ping)。這將(jiang)是人類第一(yi)次在地(di)球上獲得持續(xu)的(de)、有(you)大量核聚變反應(ying)的(de)高(gao)溫(wen)等(deng)離子(zi)體，產生(sheng)接近電站規模(mo)的(de)受(shou)控(kong)聚變能。

在(zai)(zai)ITER上開展的(de)(de)研究工作將(jiang)(jiang)揭示這種帶有氘氚核聚(ju)變(bian)(bian)反(fan)應的(de)(de)高溫等離(li)(li)子(zi)體的(de)(de)特性(xing)，探索它的(de)(de)約束(shu)、加(jia)熱和能(neng)量損失機制(zhi)，等離(li)(li)子(zi)體邊界的(de)(de)行為以及(ji)(ji)的(de)(de)控制(zhi)條件(jian)，從而為今后(hou)建設商(shang)用的(de)(de)核聚(ju)變(bian)(bian)反(fan)應堆奠定(ding)堅實(shi)的(de)(de)科學基礎。對(dui)ITER裝置工程整體及(ji)(ji)各部件(jian)在(zai)(zai)50萬千瓦聚(ju)變(bian)(bian)功(gong)率(lv)長(chang)時間持(chi)續過程中(zhong)產生的(de)(de)變(bian)(bian)化及(ji)(ji)可能(neng)出現(xian)問題的(de)(de)研究，不(bu)僅將(jiang)(jiang)驗證受控熱核聚(ju)變(bian)(bian)能(neng)的(de)(de)工程可行性(xing)，而且還將(jiang)(jiang)對(dui)今后(hou)如(ru)何設計和建造聚(ju)變(bian)(bian)反(fan)應堆提供必不(bu)可少的(de)(de)信息。

ITER的建設(she)、運行和實驗研究(jiu)是人類發展聚(ju)變能的必要一(yi)步(bu)，有可能直(zhi)接決定真正(zheng)聚(ju)變示范(fan)電站(zhan)（DEMO）的設(she)計和建設(she)，并進而(er)促進商用聚(ju)變電站(zhan)的更快實現。

ITER裝(zhuang)置(zhi)是一(yi)個能產生大規模核聚(ju)變反(fan)(fan)應的(de)(de)超導托克馬克。其裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)心是高(gao)溫氘(dao)氚等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)體環(huan)，其中(zhong)存在15兆(zhao)安的(de)(de)等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)體電流，核聚(ju)變反(fan)(fan)應功率(lv)(lv)達50萬千瓦(wa)，每秒釋放多達1020個高(gao)能中(zhong)子(zi)(zi)。等(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)體環(huan)在屏蔽(bi)包層的(de)(de)環(huan)型包套中(zhong)，屏蔽(bi)包層將吸(xi)收50萬千瓦(wa)熱功率(lv)(lv)及核聚(ju)變反(fan)(fan)應所(suo)產生的(de)(de)所(suo)有中(zhong)子(zi)(zi)。

在包層外是巨大的(de)環形真(zhen)空室(shi)(shi)。在下側(ce)有偏慮器與真(zhen)空室(shi)(shi)相連，可排(pai)出核(he)反應(ying)后(hou)的(de)廢(fei)氣。真(zhen)空室(shi)(shi)穿在16個大型超導環向場線圈（即縱場線圈）中(zhong)。

環向超導磁體將產生5.3特斯(si)拉的環向強磁場，是裝置(zhi)的關鍵(jian)部件之一，價值超過12億美元。

穿過環的(de)中心是(shi)(shi)一個巨大(da)的(de)超(chao)導(dao)線圈(quan)筒（中心螺(luo)管(guan)），在環向(xiang)場線圈(quan)外(wai)側還布有六個大(da)型(xing)環向(xiang)超(chao)導(dao)線圈(quan)，即極向(xiang)場線圈(quan)。中心螺(luo)管(guan)和極向(xiang)場線圈(quan)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)(shi)產生等(deng)離(li)子(zi)體(ti)電流和控制等(deng)離(li)子(zi)體(ti)位形。

上(shang)(shang)述系統(tong)(tong)整個被罩于(yu)一(yi)個大杜瓦中(zhong)，坐落于(yu)底座(zuo)上(shang)(shang)，構成實驗堆本體(ti)。在本體(ti)外分布4個10兆(zhao)(zhao)瓦的(de)強流粒子(zi)加(jia)速器，10兆(zhao)(zhao)瓦的(de)穩態毫米電磁(ci)波系統(tong)(tong)，20兆(zhao)(zhao)瓦的(de)射頻波系統(tong)(tong)及數十種先進(jin)的(de)等離子(zi)體(ti)診斷測量(liang)系統(tong)(tong)。

整(zheng)個體系(xi)還包括：大(da)(da)(da)型供(gong)電系(xi)統(tong)、大(da)(da)(da)型氚工廠、大(da)(da)(da)型供(gong)水（包括去離子水）系(xi)統(tong)、大(da)(da)(da)型高(gao)真空系(xi)統(tong)、大(da)(da)(da)型液氮(dan)、液氦低溫系(xi)統(tong)等(deng)。

ITER本體內所(suo)有可能的調(diao)整和維修都是通過遠程控制的機器人(ren)或機器手完成。

ITER裝置不僅(jin)反映(ying)了(le)國際聚變能(neng)研究的(de)新成果(guo)，而且(qie)綜合了(le)當今(jin)世界各(ge)領域的(de)一些(xie)頂尖技(ji)術(shu)，如：大型超(chao)導磁體技(ji)術(shu)，中(zhong)能(neng)高流(liu)強加速器技(ji)術(shu)，連續(xu)、大功(gong)率毫(hao)米波(bo)技(ji)術(shu)，復(fu)雜(za)的(de)遠程(cheng)控制(zhi)技(ji)術(shu)等(deng)等(deng)。

2013年(nian)9月25日（北京時(shi)間）消(xiao)息(xi)，勞倫斯·利弗(fu)莫爾國家實(shi)驗室報告稱(cheng)，世(shi)界(jie)大激光器(qi)、被稱(cheng)為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）正距離其目標越(yue)來越(yue)近，顯示了一個可持續核(he)聚變(bian)反(fan)應裝置正在由(you)夢想逐步成(cheng)為現實(shi)。不(bu)過(guo)在設施(shi)達到高度穩(wen)定前，目前仍有(you)一個顯著(zhu)障礙有(you)待克服。