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基本介紹

“國際(ji)熱核(he)(he)聚變(bian)(bian)實(shi)驗堆（ITER）計(ji)劃”是(shi)目前全(quan)球(qiu)規模最(zui)大、影響最(zui)深遠的(de)(de)國際(ji)科研合作(zuo)項目之一，建造約需(xu)10年，耗資(zi)50億美元（1998年值）。ITER裝置(zhi)是(shi)一個(ge)能(neng)產生大規模核(he)(he)聚變(bian)(bian)反應的(de)(de)超導托克馬克，俗稱“人(ren)造太陽”。2003年1月(yue)，國務(wu)(wu)院批準我國參加(jia)ITER計(ji)劃談判(pan)(pan)，2006年5月(yue)，經國務(wu)(wu)院批準，中(zhong)國ITER談判(pan)(pan)聯合小組(zu)代表我國政(zheng)府與歐(ou)盟、印度(du)、日(ri)本、韓(han)國、俄羅(luo)斯和美國共(gong)同草簽(qian)了ITER計(ji)劃協定(ding)。這(zhe)七方(fang)包括(kuo)了全(quan)世界主要的(de)(de)核(he)(he)國家(jia)和主要的(de)(de)亞(ya)洲國家(jia)，覆蓋的(de)(de)人(ren)口接近全(quan)球(qiu)一半。我國參加(jia)ITER計(ji)劃是(shi)基(ji)于能(neng)源長遠的(de)(de)基(ji)本需(xu)求。2013年1月(yue)5日(ri)中(zhong)科院合肥物質研究院宣布，“人(ren)造太陽”實(shi)驗裝置(zhi)輔(fu)助(zhu)加(jia)熱工程的(de)(de)中(zhong)性束(shu)注入系統在綜(zong)合測試(shi)平臺上(shang)成功實(shi)現100秒長脈沖(chong)氫(qing)中(zhong)性束(shu)引(yin)出。

建設沿革

由于(yu)聚變能(neng)的(de)(de)研(yan)究不僅(jin)關(guan)系(xi)到解決(jue)人類(lei)能(neng)源問(wen)題，而且還涉(she)及眾(zhong)多先(xian)進且非常敏(min)感的(de)(de)技(ji)術，因(yin)此，ITER計劃的(de)(de)形成除與(yu)科學技(ji)術本身(shen)的(de)(de)發展有關(guan)外，還始終與(yu)主要(yao)(yao)大國在政治和外交方面的(de)(de)考慮(lv)分(fen)不開。本文將主要(yao)(yao)從科學和技(ji)術角(jiao)度作一些分(fen)析和說明。

1985年，作為結束冷戰的(de)標志(zhi)性行動之一，前蘇聯領導人戈爾巴喬夫和美國總統里(li)根在(zai)日內瓦峰會上倡議(yi)，由美、蘇、歐、日共同啟動"國際熱(re)核聚變(bian)實驗(yan)堆(dui)(dui)（ITER）"計(ji)劃。ITER計(ji)劃的(de)目標是要建造一個可(ke)自持燃燒（即"點火"）的(de)托可(ke)馬克(ke)核聚變(bian)實驗(yan)堆(dui)(dui)，以便(bian)對未來聚變(bian)示范(fan)堆(dui)(dui)及商用聚變(bian)堆(dui)(dui)的(de)物理和工程(cheng)問題做深入探索。

該(gai)計(ji)(ji)劃僅確定由(you)美、俄、歐(ou)、日四方參加(jia)，獨立(li)于聯(lian)合(he)(he)國(guo)原子能委(wei)員(yuan)(yuan)會(hui)（IAEA）之外，總部分(fen)設(she)美、日、歐(ou)三(san)處。由(you)于當時的(de)科(ke)學和技(ji)術條件還不(bu)(bu)成(cheng)熟，四方科(ke)技(ji)人員(yuan)(yuan)于1996年(nian)(nian)提出的(de)ITER初步設(she)計(ji)(ji)很不(bu)(bu)合(he)(he)理，要(yao)求(qiu)投資上(shang)百億美元。1998年(nian)(nian)，美國(guo)出于政(zheng)治原因(yin)及(ji)國(guo)內紛爭(zheng)，以(yi)加(jia)強基(ji)礎研究(jiu)為(wei)名，宣布退出ITER計(ji)(ji)劃。歐(ou)、日、俄三(san)方則繼續堅持(chi)合(he)(he)作(zuo)，并基(ji)于上(shang)世紀90年(nian)(nian)代核聚變研究(jiu)及(ji)其他高新技(ji)術的(de)新發(fa)展，大幅度(du)修改實驗堆的(de)設(she)計(ji)(ji)。2001年(nian)(nian)，歐(ou)、日、俄聯(lian)合(he)(he)工作(zuo)組(zu)完成(cheng)了ITER裝置(zhi)新的(de)工程設(she)計(ji)(ji)（EDA）及(ji)主(zhu)要(yao)部件的(de)研制，預(yu)計(ji)(ji)建(jian)造費用為(wei)50億美元（1998年(nian)(nian)價），建(jian)造期8至10年(nian)(nian)，運行期20年(nian)(nian)。其后，三(san)方分(fen)別(bie)組(zu)織了獨立(li)的(de)審(shen)查，都(dou)認為(wei)設(she)計(ji)(ji)合(he)(he)理，基(ji)本上(shang)可以(yi)接受。

2002年(nian)，歐、日、俄(e)三方以EDA為基礎開始協(xie)商ITER計(ji)(ji)劃(hua)的國(guo)(guo)際協(xie)議(yi)及(ji)相應國(guo)(guo)際組(zu)織的建立，并表(biao)示歡迎中(zhong)國(guo)(guo)與美(mei)國(guo)(guo)參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)(ji)劃(hua)。中(zhong)國(guo)(guo)于2003年(nian)1月初正(zheng)式(shi)宣布(bu)參(can)加(jia)(jia)(jia)協(xie)商，其后美(mei)國(guo)(guo)在(zai)1月末(mo)由布(bu)什總統特(te)別宣布(bu)重新參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)(ji)劃(hua)，韓國(guo)(guo)在(zai)2005年(nian)被接(jie)受參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)(ji)劃(hua)協(xie)商。以上六方于2005年(nian)6月簽訂協(xie)議(yi)，一致(zhi)同意把ITER建在(zai)法國(guo)(guo)核技術(shu)研究中(zhong)心Cadarache，從而結束了激烈(lie)的"選(xuan)址(zhi)大(da)戰"。印度于2006年(nian)加(jia)(jia)(jia)入ITER協(xie)商。七個成員國(guo)(guo)政府于2006年(nian)5月25日草簽了建設(she)ITER的國(guo)(guo)際協(xie)定。目前(qian)國(guo)(guo)際組(zu)織正(zheng)在(zai)組(zu)建，總干(gan)事(shi)和副總干(gan)事(shi)人(ren)選(xuan)已確定。還(huan)有一些國(guo)(guo)家也(ye)正(zheng)在(zai)考慮參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)(ji)劃(hua)。

在ITER建設總投(tou)資(zi)的(de)50億美元（1998年(nian)值）中，歐盟貢獻46%，美、日、俄、中、韓、印各貢獻約9%。根據協議，中國(guo)貢獻中的(de)70%以上由我國(guo)制造所(suo)約定的(de)ITER部件(jian)折算(suan)，10%由我國(guo)派(pai)出所(suo)需合格(ge)人員折算(suan)，需支付國(guo)際組織的(de)外匯(hui)不到20%。

作為聚(ju)變能實驗堆，ITER要把(ba)上(shang)億度、由氘氚組(zu)成的高溫等(deng)離(li)子體約(yue)束在體積達837立方米的"磁籠"中，產生50萬(wan)(wan)千瓦的聚(ju)變功(gong)率，持續時間達500秒。50萬(wan)(wan)千瓦熱(re)功(gong)率已經相當于一(yi)個小(xiao)型(xing)熱(re)電(dian)站的水(shui)平。這將是人類(lei)第一(yi)次在地球上(shang)獲(huo)得持續的、有大量核(he)聚(ju)變反(fan)應的高溫等(deng)離(li)子體，產生接近電(dian)站規模的受控聚(ju)變能。

在ITER上開展的(de)(de)研究(jiu)工(gong)作將揭示這種帶有氘氚核(he)聚(ju)變反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)高溫等離(li)子體的(de)(de)特(te)性，探索(suo)它的(de)(de)約束、加熱和能量損失(shi)機制(zhi)，等離(li)子體邊界的(de)(de)行為(wei)以及(ji)的(de)(de)控制(zhi)條件，從而為(wei)今后建設(she)商用的(de)(de)核(he)聚(ju)變反(fan)應(ying)(ying)堆奠定堅實的(de)(de)科(ke)學基礎。對ITER裝置工(gong)程(cheng)整(zheng)體及(ji)各部件在50萬(wan)千瓦聚(ju)變功率長時間持(chi)續過程(cheng)中產生的(de)(de)變化及(ji)可能出現問題(ti)的(de)(de)研究(jiu)，不(bu)僅將驗證受控熱核(he)聚(ju)變能的(de)(de)工(gong)程(cheng)可行性，而且(qie)還將對今后如何設(she)計(ji)和建造(zao)聚(ju)變反(fan)應(ying)(ying)堆提供必不(bu)可少的(de)(de)信息。

ITER的(de)建(jian)設(she)(she)、運行和實驗研究是人(ren)類發(fa)展聚(ju)變(bian)能(neng)的(de)必要一步，有可(ke)能(neng)直(zhi)接(jie)決定真(zhen)正聚(ju)變(bian)示范電(dian)站（DEMO）的(de)設(she)(she)計和建(jian)設(she)(she)，并進而(er)促進商(shang)用聚(ju)變(bian)電(dian)站的(de)更快實現。

ITER裝置是一(yi)個能產(chan)生(sheng)大(da)規模核(he)聚(ju)變反應(ying)的(de)(de)超導托克馬克。其裝置中(zhong)心是高溫氘氚等離(li)子體環，其中(zhong)存在(zai)15兆安的(de)(de)等離(li)子體電流，核(he)聚(ju)變反應(ying)功(gong)率(lv)達50萬千(qian)瓦，每(mei)秒釋放多達1020個高能中(zhong)子。等離(li)子體環在(zai)屏蔽包(bao)層的(de)(de)環型(xing)包(bao)套中(zhong)，屏蔽包(bao)層將(jiang)吸收50萬千(qian)瓦熱功(gong)率(lv)及核(he)聚(ju)變反應(ying)所產(chan)生(sheng)的(de)(de)所有中(zhong)子。

在包(bao)層(ceng)外是(shi)巨大(da)的環(huan)形真(zhen)空(kong)室(shi)。在下側(ce)有(you)偏慮器與真(zhen)空(kong)室(shi)相連，可排出核反應后的廢氣。真(zhen)空(kong)室(shi)穿在16個大(da)型(xing)超導環(huan)向場線圈(quan)（即縱場線圈(quan)）中(zhong)。

環(huan)向超(chao)導磁體將產生5.3特斯拉的(de)環(huan)向強(qiang)磁場，是裝置的(de)關(guan)鍵部件之一，價值(zhi)超(chao)過12億(yi)美元。

穿過(guo)環的中(zhong)(zhong)心(xin)是(shi)一個(ge)巨大(da)(da)的超導線(xian)圈(quan)筒（中(zhong)(zhong)心(xin)螺(luo)(luo)管），在(zai)環向(xiang)(xiang)場線(xian)圈(quan)外側還布有六個(ge)大(da)(da)型(xing)環向(xiang)(xiang)超導線(xian)圈(quan)，即(ji)極向(xiang)(xiang)場線(xian)圈(quan)。中(zhong)(zhong)心(xin)螺(luo)(luo)管和(he)極向(xiang)(xiang)場線(xian)圈(quan)的作用是(shi)產(chan)生等離(li)子體電流和(he)控制等離(li)子體位(wei)形。

上(shang)述系統(tong)整個被罩于(yu)一個大杜瓦(wa)中，坐落于(yu)底座(zuo)上(shang)，構成實驗堆本體。在(zai)本體外分布4個10兆瓦(wa)的(de)強流粒(li)子(zi)加速器，10兆瓦(wa)的(de)穩態毫(hao)米(mi)電磁波系統(tong)，20兆瓦(wa)的(de)射(she)頻波系統(tong)及數十種先(xian)進的(de)等離子(zi)體診斷測量系統(tong)。

整個體系(xi)(xi)還(huan)包括：大(da)型(xing)(xing)供電系(xi)(xi)統(tong)、大(da)型(xing)(xing)氚工廠、大(da)型(xing)(xing)供水(shui)（包括去離子水(shui)）系(xi)(xi)統(tong)、大(da)型(xing)(xing)高真空(kong)系(xi)(xi)統(tong)、大(da)型(xing)(xing)液氮、液氦低溫系(xi)(xi)統(tong)等。

ITER本體(ti)內(nei)所有可能的(de)調整和維修都是通過遠程控制的(de)機器(qi)人或機器(qi)手完成。

ITER裝置不(bu)僅反映(ying)了國(guo)際聚變能(neng)(neng)研究的新(xin)成(cheng)果，而(er)且(qie)綜合了當今世界各領(ling)域的一些頂尖(jian)技術，如：大(da)型超導磁體技術，中能(neng)(neng)高(gao)流強加速器技術，連(lian)續、大(da)功(gong)率毫米(mi)波技術，復雜(za)的遠(yuan)程控制(zhi)技術等等。

2013年(nian)9月25日（北(bei)京時間(jian)）消息(xi)，勞倫斯·利弗莫(mo)爾國(guo)家(jia)實驗室報告稱(cheng)，世界大(da)激光器、被稱(cheng)為(wei)“人(ren)造(zao)太陽”的美國(guo)國(guo)家(jia)點火裝置（NIF）正(zheng)距離其目標越(yue)來越(yue)近，顯(xian)示(shi)了一(yi)個(ge)可持續核聚變反應裝置正(zheng)在(zai)由夢想(xiang)逐步成為(wei)現(xian)實。不過在(zai)設施達到高度穩(wen)定前，目前仍有一(yi)個(ge)顯(xian)著障礙有待(dai)克服。