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基本介紹

“國(guo)(guo)(guo)際熱核(he)聚變(bian)實驗堆（ITER）計(ji)劃”是目(mu)前(qian)全(quan)(quan)(quan)球規(gui)模最大(da)、影響最深遠的(de)(de)國(guo)(guo)(guo)際科研(yan)合作項目(mu)之(zhi)一(yi)，建造約需10年，耗資50億(yi)美(mei)元（1998年值）。ITER裝(zhuang)置是一(yi)個(ge)能(neng)產(chan)生(sheng)大(da)規(gui)模核(he)聚變(bian)反應(ying)的(de)(de)超(chao)導托(tuo)克(ke)馬克(ke)，俗稱“人(ren)造太陽”。2003年1月(yue)，國(guo)(guo)(guo)務院(yuan)批準(zhun)(zhun)我(wo)國(guo)(guo)(guo)參加(jia)ITER計(ji)劃談判，2006年5月(yue)，經國(guo)(guo)(guo)務院(yuan)批準(zhun)(zhun)，中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)ITER談判聯合小組代表我(wo)國(guo)(guo)(guo)政府與歐(ou)盟、印度、日本(ben)、韓國(guo)(guo)(guo)、俄(e)羅斯和(he)美(mei)國(guo)(guo)(guo)共同草(cao)簽了ITER計(ji)劃協定。這七(qi)方包(bao)括了全(quan)(quan)(quan)世界主要(yao)的(de)(de)核(he)國(guo)(guo)(guo)家和(he)主要(yao)的(de)(de)亞洲國(guo)(guo)(guo)家，覆蓋的(de)(de)人(ren)口接近全(quan)(quan)(quan)球一(yi)半(ban)。我(wo)國(guo)(guo)(guo)參加(jia)ITER計(ji)劃是基于能(neng)源(yuan)長遠的(de)(de)基本(ben)需求。2013年1月(yue)5日中(zhong)(zhong)科院(yuan)合肥物質研(yan)究院(yuan)宣布，“人(ren)造太陽”實驗裝(zhuang)置輔助加(jia)熱工(gong)程(cheng)的(de)(de)中(zhong)(zhong)性束(shu)注入(ru)系統在綜(zong)合測試(shi)平臺上成功實現(xian)100秒長脈沖(chong)氫(qing)中(zhong)(zhong)性束(shu)引出。

建設沿革

由于聚(ju)變能(neng)的研究不(bu)(bu)僅關(guan)系到解決(jue)人類能(neng)源問題，而且(qie)(qie)還涉及眾多先(xian)進(jin)且(qie)(qie)非常敏感的技(ji)(ji)術(shu)，因此，ITER計劃的形(xing)成(cheng)除與科(ke)學技(ji)(ji)術(shu)本(ben)身的發展有關(guan)外(wai)，還始終(zhong)與主(zhu)(zhu)要大國在政治和(he)外(wai)交方(fang)面的考慮分不(bu)(bu)開(kai)。本(ben)文將主(zhu)(zhu)要從科(ke)學和(he)技(ji)(ji)術(shu)角度作一些(xie)分析和(he)說明。

1985年，作為結束冷(leng)戰的標志性行動之一，前蘇聯領導人戈(ge)爾巴喬夫和(he)美國總統(tong)里根在日(ri)(ri)內瓦峰會(hui)上倡議，由美、蘇、歐、日(ri)(ri)共同(tong)啟動"國際熱核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)實(shi)驗堆(dui)（ITER）"計(ji)劃(hua)。ITER計(ji)劃(hua)的目標是要建造一個可自持燃(ran)燒(shao)（即"點火"）的托可馬克(ke)核(he)(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)實(shi)驗堆(dui)，以便對未來聚(ju)(ju)變(bian)(bian)示范堆(dui)及(ji)商用聚(ju)(ju)變(bian)(bian)堆(dui)的物理和(he)工程(cheng)問(wen)題做深入探索。

該(gai)計劃(hua)僅(jin)確(que)定由美、俄(e)、歐(ou)、日(ri)四方(fang)參(can)加，獨立于(yu)(yu)聯合(he)(he)(he)國(guo)原(yuan)子能委(wei)員會（IAEA）之(zhi)外，總部(bu)(bu)分(fen)設美、日(ri)、歐(ou)三處。由于(yu)(yu)當時的(de)(de)科學和技術條件還不成熟，四方(fang)科技人(ren)員于(yu)(yu)1996年提出(chu)的(de)(de)ITER初步設計很不合(he)(he)(he)理，要求投(tou)資上(shang)百(bai)億美元(yuan)。1998年，美國(guo)出(chu)于(yu)(yu)政治原(yuan)因及(ji)國(guo)內紛爭，以加強基(ji)礎研究為(wei)名，宣布退(tui)出(chu)ITER計劃(hua)。歐(ou)、日(ri)、俄(e)三方(fang)則繼續堅持合(he)(he)(he)作，并基(ji)于(yu)(yu)上(shang)世紀90年代核聚變研究及(ji)其他高(gao)新技術的(de)(de)新發展，大幅度修改實驗(yan)堆的(de)(de)設計。2001年，歐(ou)、日(ri)、俄(e)聯合(he)(he)(he)工(gong)作組(zu)完成了(le)ITER裝置新的(de)(de)工(gong)程(cheng)設計（EDA）及(ji)主(zhu)要部(bu)(bu)件的(de)(de)研制，預計建(jian)造費用為(wei)50億美元(yuan)（1998年價(jia)），建(jian)造期8至10年，運行期20年。其后，三方(fang)分(fen)別組(zu)織了(le)獨立的(de)(de)審(shen)查，都認為(wei)設計合(he)(he)(he)理，基(ji)本(ben)上(shang)可以接受(shou)。

2002年，歐、日、俄三方以(yi)EDA為基礎(chu)開始(shi)協(xie)(xie)商(shang)ITER計劃(hua)的(de)國(guo)(guo)際協(xie)(xie)議(yi)及相應(ying)國(guo)(guo)際組織(zhi)的(de)建立，并表(biao)示歡迎中國(guo)(guo)與美國(guo)(guo)參(can)加(jia)ITER計劃(hua)。中國(guo)(guo)于(yu)2003年1月初正(zheng)式宣(xuan)布(bu)參(can)加(jia)協(xie)(xie)商(shang)，其(qi)后美國(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)1月末(mo)由(you)布(bu)什總(zong)統特(te)別宣(xuan)布(bu)重(zhong)新參(can)加(jia)ITER計劃(hua)，韓(han)國(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)2005年被接受參(can)加(jia)ITER計劃(hua)協(xie)(xie)商(shang)。以(yi)上六方于(yu)2005年6月簽訂協(xie)(xie)議(yi)，一致同意把ITER建在(zai)(zai)(zai)法國(guo)(guo)核(he)技術研(yan)究中心Cadarache，從而(er)結束(shu)了(le)激烈(lie)的(de)"選(xuan)址大戰"。印(yin)度于(yu)2006年加(jia)入ITER協(xie)(xie)商(shang)。七個成員國(guo)(guo)政府于(yu)2006年5月25日草簽了(le)建設ITER的(de)國(guo)(guo)際協(xie)(xie)定(ding)。目前國(guo)(guo)際組織(zhi)正(zheng)在(zai)(zai)(zai)組建，總(zong)干事(shi)和副總(zong)干事(shi)人選(xuan)已確定(ding)。還有一些(xie)國(guo)(guo)家也正(zheng)在(zai)(zai)(zai)考慮(lv)參(can)加(jia)ITER計劃(hua)。

在ITER建(jian)設總投資的(de)50億(yi)美(mei)元（1998年值）中(zhong)，歐盟貢獻46%，美(mei)、日、俄、中(zhong)、韓、印各貢獻約9%。根據協議(yi)，中(zhong)國(guo)貢獻中(zhong)的(de)70%以(yi)上由我(wo)國(guo)制造所約定的(de)ITER部件折(zhe)算，10%由我(wo)國(guo)派出所需合格人員折(zhe)算，需支(zhi)付國(guo)際組(zu)織的(de)外匯不到20%。

作(zuo)為聚(ju)變(bian)能實驗(yan)堆(dui)，ITER要把上(shang)億度、由(you)氘氚組成的高溫等(deng)離子體約束(shu)在體積達(da)837立方米的"磁籠"中，產生50萬千瓦的聚(ju)變(bian)功率(lv)，持續時間達(da)500秒。50萬千瓦熱功率(lv)已經相當于(yu)一(yi)個小型熱電站的水平。這將(jiang)是人類第(di)一(yi)次在地球上(shang)獲得持續的、有大量核聚(ju)變(bian)反應的高溫等(deng)離子體，產生接近(jin)電站規(gui)模的受控(kong)聚(ju)變(bian)能。

在(zai)ITER上開展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究工作(zuo)將揭(jie)示這種帶(dai)有氘氚核(he)聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高溫(wen)等(deng)離子(zi)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特性，探索它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)約束、加熱(re)和(he)能量損失機制，等(deng)離子(zi)體邊界的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)行(xing)為以及的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制條件，從而為今(jin)后(hou)建設商用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)核(he)聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)(ying)堆奠定堅實的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)科學基(ji)礎(chu)。對(dui)ITER裝置工程整體及各部件在(zai)50萬(wan)千瓦聚(ju)變(bian)功率(lv)長(chang)時間持續過程中產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化及可能出(chu)現問(wen)題的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究，不(bu)僅將驗證受(shou)控(kong)熱(re)核(he)聚(ju)變(bian)能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工程可行(xing)性，而且還(huan)將對(dui)今(jin)后(hou)如何設計和(he)建造聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)(ying)堆提(ti)供必不(bu)可少的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信息。

ITER的(de)建設、運行(xing)和實驗研究是人類發展(zhan)聚變能(neng)的(de)必要一步，有可能(neng)直(zhi)接決(jue)定真正聚變示范(fan)電(dian)站(zhan)（DEMO）的(de)設計和建設，并(bing)進而促進商用聚變電(dian)站(zhan)的(de)更(geng)快實現。

ITER裝(zhuang)置是一個能產生大規(gui)模核(he)聚(ju)變(bian)反應的(de)超導托(tuo)克馬克。其(qi)(qi)裝(zhuang)置中心是高(gao)溫氘氚等離子(zi)體環(huan)(huan)，其(qi)(qi)中存在15兆安(an)的(de)等離子(zi)體電流，核(he)聚(ju)變(bian)反應功(gong)率達50萬千(qian)瓦(wa)，每秒釋(shi)放多達1020個高(gao)能中子(zi)。等離子(zi)體環(huan)(huan)在屏蔽包(bao)層的(de)環(huan)(huan)型包(bao)套(tao)中，屏蔽包(bao)層將吸收(shou)50萬千(qian)瓦(wa)熱(re)功(gong)率及核(he)聚(ju)變(bian)反應所產生的(de)所有中子(zi)。

在包層(ceng)外是巨大的環形真(zhen)空室(shi)。在下側(ce)有(you)偏慮器(qi)與真(zhen)空室(shi)相連(lian)，可(ke)排出核反應后的廢氣(qi)。真(zhen)空室(shi)穿在16個大型超導環向場線圈（即縱場線圈）中。

環(huan)向超導磁(ci)體將產(chan)生5.3特斯拉的環(huan)向強磁(ci)場，是(shi)裝置的關(guan)鍵部件之(zhi)一，價(jia)值超過(guo)12億美元。

穿(chuan)過環(huan)的(de)(de)中心(xin)是一個巨大(da)的(de)(de)超(chao)導線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)筒（中心(xin)螺(luo)管），在環(huan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)場線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)外(wai)側還布有六個大(da)型環(huan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)超(chao)導線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)，即(ji)極向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)場線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)。中心(xin)螺(luo)管和極向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)場線(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)的(de)(de)作用是產生(sheng)等(deng)離子體電流和控制等(deng)離子體位形。

上述系統(tong)(tong)整個被罩(zhao)于(yu)一(yi)個大杜瓦(wa)(wa)(wa)中，坐落于(yu)底座上，構成(cheng)實驗(yan)堆本體。在本體外分布(bu)4個10兆瓦(wa)(wa)(wa)的強(qiang)流粒(li)子加速器，10兆瓦(wa)(wa)(wa)的穩(wen)態毫米電磁波(bo)系統(tong)(tong)，20兆瓦(wa)(wa)(wa)的射(she)頻(pin)波(bo)系統(tong)(tong)及數十種先進的等離子體診斷測量系統(tong)(tong)。

整個體(ti)系(xi)還(huan)包括(kuo)：大(da)型(xing)供(gong)電系(xi)統(tong)、大(da)型(xing)氚工(gong)廠、大(da)型(xing)供(gong)水(shui)（包括(kuo)去離子(zi)水(shui)）系(xi)統(tong)、大(da)型(xing)高真(zhen)空系(xi)統(tong)、大(da)型(xing)液氮、液氦低溫系(xi)統(tong)等。

ITER本(ben)體內所有可(ke)能的(de)調整和維修都是通過遠程控(kong)制的(de)機器人或(huo)機器手完成。

ITER裝(zhuang)置不(bu)僅反映了(le)(le)國際(ji)聚變能(neng)研究(jiu)的新(xin)成(cheng)果，而且綜合了(le)(le)當今(jin)世界各領域的一(yi)些頂尖技(ji)術(shu)(shu)，如：大(da)型超導磁(ci)體技(ji)術(shu)(shu)，中能(neng)高流強加速器(qi)技(ji)術(shu)(shu)，連續、大(da)功率毫米波技(ji)術(shu)(shu)，復雜(za)的遠程(cheng)控制技(ji)術(shu)(shu)等等。

2013年9月25日（北京時(shi)間）消息，勞倫斯(si)·利弗莫爾國(guo)家實驗室(shi)報(bao)告稱(cheng)(cheng)，世界(jie)大激光器(qi)、被稱(cheng)(cheng)為“人造太陽”的美國(guo)國(guo)家點火裝置(zhi)(zhi)（NIF）正(zheng)距(ju)離其目標越(yue)來越(yue)近，顯示(shi)了(le)一個可持續(xu)核聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)裝置(zhi)(zhi)正(zheng)在(zai)由(you)夢(meng)想逐步(bu)成為現(xian)實。不過在(zai)設施達到高度穩(wen)定前，目前仍有(you)一個顯著障(zhang)礙(ai)有(you)待克服(fu)。