國際熱核實驗反應(yīng)堆（ITER）項目是一項大規(guī)模實驗，旨在證明聚變作為新能源的科學(xué)技術(shù)可行性，并為其工業(yè)化開發(fā)鋪平道路。該組織宣布，到 2020 年底，該項目的 70% 以上已經(jīng)完成，用于首次等離子操作。

下一個重大步驟將是在 2025 年，屆時預(yù)計將產(chǎn)生第一個過熱等離子體，然后在 2035 年達到全功率，以證明有可能產(chǎn)生比目前使用的更多的能量。過程。

該項目源于2006 年由七個合作伙伴簽署的ITER協(xié)議：中國、歐洲、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。他們共同管理 ITER 組織，該組織負責(zé)協(xié)調(diào)項目，并匯集財政和科學(xué)資源。Fusion for Energy（F4E）是歐盟組織，負責(zé)歐洲對ITER的貢獻和聚變能的發(fā)展。

F4E 的項目經(jīng)理 Ferran Albajar 解釋說，該項目將使科學(xué)家能夠研究一種“燃燒等離子體”，該等離子體將提供比現(xiàn)在使用的更高的聚變功率輸出（500 MW）和更長的時間（約 7 分鐘）。 16 MW 和幾秒鐘）。同樣重要的是，它將使工程師能夠為未來的聚變工廠驗證技術(shù)。

ITER 基于托卡馬克的概念，其中高磁場將氫同位素限制在容器中，通過高溫轉(zhuǎn)化為等離子體。

聚變能

化石燃料、核能和可再生能源都是我們熟悉和利用的所有類型的能源。鑒于我們雄心勃勃的氣候變化目標(biāo)，歐盟和世界其他地區(qū)必須將注意力轉(zhuǎn)向更清潔的能源，以實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型。另一方面，僅投資于可再生能源可能不足以確保經(jīng)濟可靠和安全的能源供應(yīng)。

推動恒星的能量稱為聚變。我們的太陽是一個巨大的聚變裝置——我們太陽系中最大的。氫原子在太陽核心中以驚人的速度運動。氫原子結(jié)合形成一個較重的氦原子。這個過程會以光和熱的形式釋放大量能量。

“我們需要兩種氫同位素來產(chǎn)生聚變反應(yīng)：氘和氚；然而，因為它們在等離子體中的原子核都帶正電，所以它們相互排斥，”Albajar 解釋說?！坝捎谔柕木薮笠?，氫原子在 1500 萬攝氏度的溫度下點燃。然而，由于地球上的引力較小，它們必須被加熱到高達 1.5 億攝氏度的溫度才能碰撞和融合?！?/p>

氘是一種可能存在于海水中的礦物質(zhì)?！拔覀冇匈Y源可以繼續(xù)運行數(shù)百萬年，”Albajar 補充道?！皬牡貧ぶ惺占匿嚳捎糜谥圃祀?。”

從 500 升水中提取的部分足以滿足普通公民一生的能源需求。在那之后，水仍然可以飲用。氫同位素融合的結(jié)果是用于氣球的氦氣。

通過無數(shù)次測試，幾十年來，科學(xué)家們一直試圖弄清楚如何創(chuàng)造這種能量。盡管這個概念是基本的，但他們遇到了許多障礙。氫原子在 100 萬攝氏度時粉碎，產(chǎn)生等離子體，一種“帶電氣體”。

他們提出了托卡馬克的概念，這是一個包含使用高磁場的熱等離子體的腔室。這就是它們?nèi)绾萎a(chǎn)生等離子體，即物質(zhì)的第四種狀態(tài)。

ITER項目

托卡馬克的甜甜圈形真空室是它跳動的心臟。在內(nèi)部，由于強烈的熱量，氣態(tài)氫燃料轉(zhuǎn)化為等離子體——一種帶電的熱氣體。等離子體提供了輕元素可以結(jié)合并提供能量的環(huán)境，無論是在恒星中還是在聚變裝置中。

等離子體中的帶電粒子由超強磁線圈成形，科學(xué)家們利用磁線圈使加熱的等離子體遠離結(jié)構(gòu)的壁，并且密度足以使粒子融合。為了開始操作，真空室中的空氣和雜質(zhì)被排空。然后將輔助、容納和調(diào)節(jié)等離子體的磁體系統(tǒng)充電，然后引入氣體燃料。當(dāng)高電流通過容器時，氣體會發(fā)生電分解，變得電離（電子從原子核中移除）并產(chǎn)生等離子體。

等離子粒子在充電和碰撞時開始升溫。當(dāng)前的技術(shù)可以達到聚變溫度（1.5 億至 3 億攝氏度）。當(dāng)粒子被“激發(fā)”時，它們會發(fā)生碰撞，克服它們固有的電磁排斥和融合。聚變會釋放出巨大的能量。

ITER 將成為世界上最大的托卡馬克，其等離子體室容積是目前運行中的最大機器的 10 倍。

ITER 基地的建設(shè)工作于 2007 年在法國南部的卡達拉什開始，占地 42 公頃，現(xiàn)在安置托卡馬克裝置，正在組裝各種建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)電廠。ITER 是最復(fù)雜的工程項目之一，將需要數(shù)百萬個組件來組裝這個重達 23,000 噸的巨型反應(yīng)堆。

為了從磁約束等離子體產(chǎn)生聚變能并最終產(chǎn)生電能，我們需要將燃料（氫同位素）加熱到約 1.5 億攝氏度，并保持其熱度、清潔和形狀，以便保持聚變反應(yīng)并安全產(chǎn)生熱量消散?！盀榱藢崿F(xiàn)這一目標(biāo)，在超導(dǎo)磁體、低溫學(xué)、材料、真空、診斷、控制和等離子體加熱等領(lǐng)域需要一系列令人印象深刻的最先進技術(shù)，”他說。

ITER 將使用超導(dǎo)磁體來限制等離子體（環(huán)形場線圈）并保持其形狀和穩(wěn)定性（極向場線圈）。他們將建造一個磁籠，使熱等離子體遠離機器的容器。在68,000 A的驅(qū)動下，磁場可能達到11.8特斯拉，幾乎是地球磁場的250,000倍。每塊磁鐵大小為17×9米，重320噸，相當(dāng)于一架空客A350。

“加熱和供電系統(tǒng)將在不同設(shè)備需要時整體或局部提高超熱等離子體的功率，”Albajar 說。“電子回旋加速器 [EC] 電源系統(tǒng)就是其中之一，如下所述。”

其他重要部件包括真空容器，它將是一個雙壁容器，用于在真空中容納聚變反應(yīng)；低溫系統(tǒng)，將冷卻磁鐵并達到理想的真空條件；遠程處理系統(tǒng)將使用復(fù)雜的人在回路機器人技術(shù)和虛擬現(xiàn)實進行操作，以提供對 ITER 設(shè)備內(nèi)部組件的維護、檢查和更換，以及將監(jiān)測托卡馬克等離子體性能的診斷系統(tǒng)。

電子回旋加速器是等離子體加熱系統(tǒng)之一?！皻W洲與在電力電子領(lǐng)域有著悠久傳統(tǒng)的瑞士制造商 Ampegon 合作，已經(jīng)交付了四臺額定功率為 6 MW 的電源，這些電源將用于點亮第一臺 ITER 等離子體，”Albajar 說?！霸摴驹?a target="_blank">射頻放大器方面擁有良好的業(yè)績記錄，已成功轉(zhuǎn)讓其在高壓和大電流電力系統(tǒng)方面的專業(yè)知識?！?/p>

EC 可視為大型微波爐。它從電網(wǎng)獲取電力并將其轉(zhuǎn)換為受控電壓，然后再將其饋送到射頻源（稱為回旋管），從而產(chǎn)生加熱 ITER 等離子體的固體電磁波。從理論上講，這看起來很簡單，但有一個問題：電壓必須很高（額定值為 55 kV）、穩(wěn)定且能夠快速變化?！盀榱吮Ｗo ITER 上的 EC 組件，它們必須在 10 μs 內(nèi)關(guān)閉，”Albajar 說?！皻W洲負責(zé)提供神奇的‘火柴’，點亮世界上最大的等離子屏幕。運行八個高壓主電源所需的能量相當(dāng)于運行一所住宅所需的能量?！?/p>

與此同時，Ampegon 還提前交付了用于 EC 和離子回旋加熱系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備將從電網(wǎng)輸送電力，為射頻系統(tǒng)供電。“設(shè)備正在儲存中，在接下來的幾年里，它將在 ITER 中安裝和調(diào)試，”他補充道。

中性光束是另一個主要的等離子加熱系統(tǒng)?！霸?ITER 中，中性射束注入器將在等離子體核心注入高能粒子，以壓碎現(xiàn)有的等離子體并提高其溫度，”Albajar 說。此外，粒子將以 1 MV 加速，然后被中和以通過限制等離子體的磁場。

融合技術(shù)

從早期的科學(xué)論證到實現(xiàn)長聚變等離子體持續(xù)時間或接近等離子體收支平衡（當(dāng)?shù)入x子體釋放至少與加熱它們所需的能量一樣多時），近幾十年來磁約束聚變的發(fā)展進展令人印象深刻。然而，在地球上發(fā)生聚變的條件，以及獲得持續(xù)的正能量增益，仍然極其難以實現(xiàn)。

“需要世界各地各方的許多技術(shù)突破才能建造 ITER；將需要其他人來建造 DEMO [示范發(fā)電廠，由歐洲聯(lián)盟 EUROfusion 設(shè)計的原型聚變反應(yīng)堆]，”Albajar 說。從另一個角度來看，國際合作是收集大型復(fù)雜實驗項目科學(xué)技術(shù)知識的關(guān)鍵。這些主要由公共資金資助的項目也受到發(fā)展新清潔能源和應(yīng)對氣候變化的政治意愿的制約。. Albajar 說：“不應(yīng)忘記，已經(jīng)建立了幾項私人計劃來探索聚變能的潛力?！?“ITER在很大程度上為將聚變能置于聚光燈下提供了一定的動力。此外，參與生產(chǎn)聚變組件的公司和實驗室看到了他們的參與帶來的切實好處。

“就整體進展而言，我們已經(jīng)完成了第一次等離子操作所需的 72.1% 和超過第一次等離子操作所需的 57.7%，”他補充道。“在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施方面，我們在各個方面都取得了進展。ITER 裝置所在的托卡馬克大樓已經(jīng)開始接收第一批組件。ITER 裝置的組裝于去年正式開始，并且正在進行中。歐洲的設(shè)備在現(xiàn)場持續(xù)交付。例如，10個TF線圈中的第5個已經(jīng)到貨，機器上安裝了兩個歐洲制造的極向場線圈，低溫裝置已經(jīng)通過了壓力測試，即將開始調(diào)試。就大局而言，我們的計劃是證明聚變能是一種替代能源，

如果 ITER 項目實現(xiàn)其目標(biāo)，DEMO 將是 ITER 實驗反應(yīng)堆的理想繼承者，應(yīng)該會發(fā)電。從 ITER 到 DEMO 意味著將機器連接到電網(wǎng)并產(chǎn)生 300-MW 至 500-MW 的凈電力。雖然 ITER 必須證明可以從等離子體中獲得比消耗更多的能量，但 DEMO 必須證明聚變發(fā)電。

審核編輯 黃昊宇