世界最大“人造太陽(yáng)”昨日啟動(dòng)組裝！

　　歷經(jīng)十四年籌備，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實(shí)驗反應堆（ITER）在法國南部正式開(kāi)始組裝工作，意味著(zhù)人類(lèi)距離實(shí)現可控核聚變又近了一步。該項目由 35 個(gè)國家合作完成，中國提供了磁體饋線(xiàn)、極向場(chǎng)線(xiàn)圈等重要部件。

　　可控核聚變被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”，能用極少量的清潔燃料產(chǎn)生大量能量，被視為解決能源和氣候問(wèn)題的理想方案。接下來(lái)，ITER 計劃用 4.5 年完成安裝，到 2025 年進(jìn)行第一次等離子體放電，最終驗證核聚變商業(yè)化應用的可行性。

圖片來(lái)源：ITER

　　當地時(shí)間 7 月 28 日，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實(shí)驗反應堆（ITER），在法國南部正式開(kāi)始組裝，這也標志著(zhù)新能源時(shí)代的開(kāi)始。35 個(gè)合作國家的領(lǐng)導人通過(guò)視頻遠程參加了慶典。

　　近幾個(gè)月，來(lái)自世界各地的組件陸續抵達法國，使得 ITER 的組裝啟動(dòng)成為可能。這表明共同參與 ITER 國際研究項目的 35 個(gè)國家愿意以這種方式來(lái)共同應對氣候變化。

　　太陽(yáng)通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量，向地球傳遞光和熱，使地球上的生命得以延續。ITER 就是通過(guò)模仿太陽(yáng)的核聚變過(guò)程，以達到產(chǎn)生能量的目的。核聚變能夠提供清潔、可靠的能源，并且不產(chǎn)生碳排放。核聚變也是安全的，因為它只需要少量的燃料，并且物理上不存在因熔毀而發(fā)生泄漏事故的可能。

　　核聚變的燃料存在于海水和金屬鋰中，可以持續供應幾百萬(wàn)年。一個(gè)菠蘿大小的核燃料所釋放的能量就相當于 1 萬(wàn)噸煤燃燒釋放的能量。

　　建造和運營(yíng)一座核聚變反應堆的成本與核裂變反應堆的成本相近，但它產(chǎn)生的廢棄物不需要花費高昂的成本和漫長(cháng)的時(shí)間進(jìn)行處理。

　　一旦 ITER 項目完成，它將證明核聚變可以實(shí)現規?；虡I(yè)運作，持續產(chǎn)生能量。

　　前所未有的國際合作

　　上世紀 50 年代，蘇聯(lián)科學(xué)家首次提出了托卡馬克的概念——磁約束聚變，此后核聚變能量研究一直是國際上廣泛合作的領(lǐng)域。ITER 項目于 2006 年誕生，35 個(gè)合作國家包括歐盟成員國（加上英國和瑞士）、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。

　　這些國家總計擁有世界 50% 以上的人口，全球 80% 以上的國內生產(chǎn)總值（GDP），匯集了大量的專(zhuān)業(yè)知識和資源，使建造世界上第一個(gè)具有工業(yè)規模的核聚變裝置成為可能。

　　法國是東道國。歐盟、英國和瑞士是東道主成員國，它們?yōu)?nbsp;ITER 項目提供了 45% 的資金。其他成員國各出資 9%，即美國、中國、日本、俄羅斯、印度和韓國。

　　ITER 成員國的貢獻約 90% 以實(shí)物形式提供，增加了這個(gè)多重機器的國際復雜性。這個(gè)機器被稱(chēng)為托卡馬克（Tokamak），它來(lái)自俄語(yǔ)，意為“磁環(huán)”。完成后的托卡馬克將由 100 多萬(wàn)個(gè)部件組成。

托卡馬克裝置示意圖。圖片來(lái)源：ITER

　　為了準備機器組裝，近幾個(gè)月來(lái)，這些前所未有的巨型部件已經(jīng)陸續運抵法國。大部分的部件都重達幾百?lài)?，長(cháng)度超過(guò) 15 米。這些零件是世界各地工廠(chǎng)、大學(xué)和國家實(shí)驗室 5 年多來(lái)的技術(shù)結晶。

　　托卡馬克組件必須滿(mǎn)足非常嚴格的規范。它們還必須遵循一個(gè)復雜的時(shí)間表，按時(shí)到達法國。ITER 總干事 Bernard Bigot 博士說(shuō)：“一部分一部分地組裝機器，就像在一個(gè)復雜的時(shí)間軸上組裝一個(gè)三維拼圖?！?/p>

　　他說(shuō)：“項目管理、系統工程、風(fēng)險管理和機器裝配物流的每一個(gè)方面都必須協(xié)同配合，像瑞士手表一樣精確。未來(lái)幾年，我們有一個(gè)復雜的流程需要遵循?！?/p>

　　組裝工作將于 2025 年 12 月結束。到那時(shí)，ITER 項目的科學(xué)家和工程師們將進(jìn)行第一次等離子體放電。

　　托卡馬克將提供多少能量？

　　ITER 項目的核電站將產(chǎn)生大約 500 兆瓦的熱能。如果持續運行并接入電網(wǎng)，產(chǎn)生的能量將轉化為大約 200 兆瓦的電能，足夠 20 萬(wàn)戶(hù)家庭使用。

　　商業(yè)核聚變電站可能采用稍大一點(diǎn)的等離子體室，一座電站可以提供的電力相當于 ITER 的 10 到 15 倍。一座 2000 兆瓦的核聚變電站可以為 200 萬(wàn)戶(hù)家庭供電。

　　并且，核聚變發(fā)電廠(chǎng)運行過(guò)程中沒(méi)有碳排放，也就是說(shuō)不會(huì )釋放二氧化碳。但是核聚變技術(shù)對解決氣候變化問(wèn)題的貢獻取決于核聚變反應堆建造的速度。目前，超過(guò) 70% 的碳排放來(lái)自于能源的使用，超過(guò) 80% 的能源消耗又來(lái)自于化石燃料。

　　Bigot 博士預測說(shuō)：“如果核聚變能夠投入廣泛使用，并成為可再生能源的補充，那么電力的使用量將大大提升，由交通、建筑和工業(yè)所帶來(lái)的溫室氣體排放將減少。實(shí)現僅使用清潔能源將是我們這個(gè)星球的一個(gè)奇跡?！?/p>

　　ITER 都有哪些部件？

ITER 組件建造分工，中國主要參與建造磁體饋線(xiàn)（feeder，左上角）和極向場(chǎng)線(xiàn)圈（PF coils，左下角）。圖片來(lái)源：ITER

　　|低溫恒溫器

　　由印度制造的低溫恒溫器（Cyrostat）是托卡馬克真空容器和限制超熱等離子體的超導磁體周?chē)摹氨仄俊薄?/p>

　　它高 30 米，直徑 30 米，是有史以來(lái)最大的不銹鋼真空室。它包含四個(gè)主要部分：底座、下氣缸、上氣缸和上蓋。下筒體的尺寸與巨石陣相當。

　　低溫恒溫器的基座部分重 1250 噸，是 ITER 最重的部件。它是第一個(gè)被安裝到托卡馬克坑的主要部件，于 5 月完成安裝，以不到 3 毫米的精度固定到位。

低溫恒溫器的基座。圖片來(lái)源：ITER Organization/EJF Riche

　　|ITER 磁體

　　ITER 使用三種緊密結合的磁體來(lái)容納、控制、塑造和脈沖出 1.5 億攝氏度的等離子體。為了實(shí)現超導，磁體內部用 -269 攝氏度的液氦進(jìn)行冷卻，這相當于星際空間的溫度。

　　|環(huán)向場(chǎng)線(xiàn)圈

　　該組件由日本和歐洲制造，其部件來(lái)自中國、韓國和俄羅斯。超過(guò) 40 家公司參與了這 18 個(gè)環(huán)向場(chǎng)（TF）線(xiàn)圈的制造。

　　TF 線(xiàn)圈的作用是限制電離等離子體粒子。每一塊磁鐵都有四層樓高，重 360 噸。首批兩個(gè) TF 線(xiàn)圈已于 4 月份從日本和意大利運抵 ITER 現場(chǎng)。

　　|極向場(chǎng)線(xiàn)圈

　　這些環(huán)形磁體由中國、歐洲和俄羅斯制造，將安裝于 TF 線(xiàn)圈系統之外。極向場(chǎng)（PF）線(xiàn)圈約束等離子體的形狀，并使其遠離壁面。

　　共有 6 個(gè)PF線(xiàn)圈，直徑從 10 米到 24 米不等，重量高達 400 噸。第一個(gè) PF 線(xiàn)圈 5 月份從中國運抵 ITER。第二個(gè)由歐洲在裝配現場(chǎng)制造。

　在 ITER China 網(wǎng)站上可以查看所有中國制造的部件。網(wǎng)址：http://www.iterchina.cn/index.html 

　　|中心螺管

　　中心螺管（Central Solenoid，CS）由美國制造，這是 ITER 磁體組件中最強大的一個(gè)。它有時(shí)被稱(chēng)為 ITER 的“跳動(dòng)的心臟”，因為它能夠在等離子體中以長(cháng)脈沖的形式啟動(dòng)一個(gè)強大的電流。

　　中心螺管由六個(gè)模塊組成，組裝后將達到 13 米或 18 米高，并附帶支撐結構，重量將達到一千噸。它的磁力將足以吸起一艘航空母艦。

　　CS 線(xiàn)圈組相互獨立運行，將產(chǎn)生巨大的電磁力，拉向不同的方向。支撐結構所要承受的力達到航天飛機升空時(shí)推力的兩倍。第一個(gè) CS 模塊將于 2020 年秋季抵達 ITER 所在地。

　　|真空容器

　　真空容器的部件來(lái)自韓國（4  個(gè)部件）和歐洲（5 個(gè)部件），突出的端口由俄羅斯提供。真空容器是一個(gè)密封的、甜甜圈形狀的不銹鋼腔體。在其內部，等離子體粒子可以不接觸腔壁，不斷地旋轉。

　　真空容器的 44 個(gè)端口連接遠程操作、診斷、加熱和真空系統。容器內表面的包層模塊將屏蔽核聚變反應產(chǎn)生的高能中子。

　　ITER 真空容器（體積 840 m3）中心容納的等離子體體積是其他托卡馬克裝置的 10 倍。第一個(gè)真空容器部件于 7 月 21 日抵達法國，機器開(kāi)始組裝。

　　|建筑和土木工程

　　整個(gè) ITER 工地的建筑和土木工程由歐洲建造，大約完成了 75%。以下是三個(gè)示例。

　　托卡馬克廠(chǎng)房和裝配大廳已經(jīng)完工，上方是一臺 170 米高的門(mén)式起重機，支撐著(zhù)兩臺 750 噸重的起重機，用于運輸和定位部件。

　　世界上最大的集中式低溫設備，已經(jīng)完成了 60%。它提供液氮制造超低溫，使超導磁體得以運作。這些設備來(lái)自中國、印度、瑞典、捷克共和國、芬蘭、意大利、日本和法國。超低溫管線(xiàn)（cryolines）主要來(lái)自印度。

　　磁體供能轉換廠(chǎng)房（Magnet Power Conversion buildings）將交流電轉換為直流電，為 ITER 的磁體供能，其電壓和電流保持在精確的數值，內部設備由中國、印度、韓國和俄羅斯專(zhuān)門(mén)設計。

磁體供能轉換廠(chǎng)房示意圖，中國提供了其中 14 個(gè)變流器。圖片來(lái)源：https：//www.iter.org/newsline/-/2779

　　ITER 中心組織負責整合來(lái)自世界各地的組件來(lái)組裝 ITER，包括托卡馬克本身的組裝以及支持系統的并行安裝，支持系統包括射頻加熱、燃料循環(huán)、低溫、冷卻水、真空、控制和高壓電氣系統。

　　主要組裝活動(dòng)將在托卡馬克大樓進(jìn)行，ITER 設備將安裝在部分嵌入的混凝土生物防護罩中。在裝配階段，這座建筑將保持潔凈和恒溫，以避免最大型的部件出現哪怕最輕微的變形。組裝、支撐和定位托卡馬克組件將用到超過(guò) 150 個(gè)專(zhuān)用工具，其中一些重達 800 噸。

　　環(huán)形托卡馬克將分為 9 個(gè)子組件，在鄰近的裝配大廳內進(jìn)行預裝配。每一個(gè)子組件的弧度為 40 度，其中包含一塊環(huán)形真空容器組件、一個(gè)保護性的鍍銀隔熱罩和兩個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)線(xiàn)圈。

　　托卡馬克主要部件的尺寸、重量、微小的公差、制造商的多樣性以及緊湊的日程安排，使得 ITER 成為一個(gè)巨大的工程和物流挑戰。組裝 ITER 設備將花費 4.5 年的時(shí)間。

　　核聚變反應堆的工作過(guò)程

　　雖然數百個(gè)托卡馬克已經(jīng)被建造，但 ITER 項目中的托卡馬克將是第一個(gè)實(shí)現“燃燒”，或者說(shuō)自加熱等離子體的裝置。在核聚變反應中，微小的質(zhì)量可以轉化為巨大的能量，主要反應過(guò)程如下：

　　1。 幾克氘和氚氣體被注入一個(gè)巨大的、甜甜圈形狀的反應室，即托卡馬克；

　　2。 加熱氣體，直到它變成云狀的電離等離子體；

　　3。 總重量達一萬(wàn)噸的超導磁體制造并控制電離等離子體；

　　4。 當等離子體達到 1.5 億攝氏度，就會(huì )發(fā)生核聚變，這一溫度達到太陽(yáng)核心溫度的 10 倍；

　　5。 核聚變產(chǎn)生的超高能中子逃逸出磁籠，以熱的形式傳遞能量；

　　6。 在托卡馬克水冷壁內循環(huán)的水可以吸收逸出的熱量并產(chǎn)生蒸汽，在商業(yè)反應堆里，這一過(guò)程帶動(dòng)蒸汽渦輪機發(fā)電。