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基本介紹

“國(guo)(guo)(guo)際熱(re)核聚變(bian)實驗(yan)堆(dui)（ITER）計劃”是(shi)目前全球(qiu)規(gui)(gui)模最大、影響最深(shen)遠的(de)(de)國(guo)(guo)(guo)際科(ke)研合(he)作項目之一，建造(zao)約需(xu)10年(nian)(nian)，耗資50億美元（1998年(nian)(nian)值）。ITER裝置是(shi)一個(ge)能(neng)產(chan)生大規(gui)(gui)模核聚變(bian)反應的(de)(de)超導托克(ke)馬克(ke)，俗稱“人(ren)造(zao)太(tai)陽(yang)”。2003年(nian)(nian)1月(yue)，國(guo)(guo)(guo)務院(yuan)(yuan)批準我國(guo)(guo)(guo)參加ITER計劃談判，2006年(nian)(nian)5月(yue)，經國(guo)(guo)(guo)務院(yuan)(yuan)批準，中(zhong)國(guo)(guo)(guo)ITER談判聯合(he)小組(zu)代表(biao)我國(guo)(guo)(guo)政府與歐盟、印度、日本(ben)、韓(han)國(guo)(guo)(guo)、俄羅(luo)斯和美國(guo)(guo)(guo)共同草簽了(le)(le)ITER計劃協定。這(zhe)七方(fang)包括了(le)(le)全世界主要(yao)的(de)(de)核國(guo)(guo)(guo)家和主要(yao)的(de)(de)亞洲國(guo)(guo)(guo)家，覆蓋的(de)(de)人(ren)口接近全球(qiu)一半。我國(guo)(guo)(guo)參加ITER計劃是(shi)基(ji)于能(neng)源長(chang)遠的(de)(de)基(ji)本(ben)需(xu)求。2013年(nian)(nian)1月(yue)5日中(zhong)科(ke)院(yuan)(yuan)合(he)肥物質研究院(yuan)(yuan)宣(xuan)布，“人(ren)造(zao)太(tai)陽(yang)”實驗(yan)裝置輔(fu)助加熱(re)工程的(de)(de)中(zhong)性束(shu)注入系統在綜合(he)測試平臺上成功實現100秒長(chang)脈沖氫中(zhong)性束(shu)引(yin)出。

建設沿革

由于聚變能(neng)(neng)的(de)(de)研究不僅(jin)關系到解決人(ren)類能(neng)(neng)源問題，而且(qie)(qie)還涉(she)及眾(zhong)多先進且(qie)(qie)非(fei)常(chang)敏感的(de)(de)技(ji)術(shu)，因此，ITER計(ji)劃的(de)(de)形成除(chu)與科學技(ji)術(shu)本身的(de)(de)發展(zhan)有(you)關外，還始終與主要(yao)(yao)大國在政(zheng)治(zhi)和外交(jiao)方面的(de)(de)考(kao)慮分(fen)不開。本文將主要(yao)(yao)從科學和技(ji)術(shu)角度作一些分(fen)析和說明。

1985年，作為結束冷(leng)戰(zhan)的(de)標(biao)志性行動之一，前蘇聯領(ling)導人戈爾(er)巴喬夫和(he)美國總統里根在日(ri)內(nei)瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日(ri)共同(tong)啟動"國際熱(re)核(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)實(shi)驗堆(dui)(dui)(dui)（ITER）"計(ji)劃(hua)。ITER計(ji)劃(hua)的(de)目標(biao)是要建造(zao)一個可自(zi)持燃(ran)燒（即"點火"）的(de)托可馬克核(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)實(shi)驗堆(dui)(dui)(dui)，以便對未來聚(ju)變(bian)(bian)(bian)示范堆(dui)(dui)(dui)及商用聚(ju)變(bian)(bian)(bian)堆(dui)(dui)(dui)的(de)物(wu)理和(he)工程(cheng)問題做深入探索。

該計劃(hua)僅確定(ding)由(you)美、俄、歐(ou)、日(ri)四方(fang)參(can)加，獨(du)立(li)于(yu)聯(lian)合(he)國原子能委員會（IAEA）之(zhi)外(wai)，總部分設(she)美、日(ri)、歐(ou)三處(chu)。由(you)于(yu)當時的科(ke)學(xue)和技術(shu)(shu)條(tiao)件還不成熟，四方(fang)科(ke)技人員于(yu)1996年提出的ITER初步設(she)計很不合(he)理，要求投資上(shang)百(bai)億(yi)美元。1998年，美國出于(yu)政治原因及(ji)國內紛爭，以加強基礎研(yan)究(jiu)為(wei)名，宣布退(tui)出ITER計劃(hua)。歐(ou)、日(ri)、俄三方(fang)則(ze)繼續(xu)堅(jian)持合(he)作，并基于(yu)上(shang)世(shi)紀90年代核聚變研(yan)究(jiu)及(ji)其(qi)他(ta)高新(xin)(xin)技術(shu)(shu)的新(xin)(xin)發展，大幅度修改實驗堆的設(she)計。2001年，歐(ou)、日(ri)、俄聯(lian)合(he)工作組(zu)完成了(le)ITER裝置新(xin)(xin)的工程設(she)計（EDA）及(ji)主要部件的研(yan)制，預計建(jian)造費(fei)用為(wei)50億(yi)美元（1998年價），建(jian)造期8至10年，運(yun)行(xing)期20年。其(qi)后(hou)，三方(fang)分別組(zu)織了(le)獨(du)立(li)的審(shen)查，都(dou)認為(wei)設(she)計合(he)理，基本上(shang)可以接(jie)受。

2002年，歐、日、俄三方以EDA為基礎開始協(xie)商(shang)ITER計(ji)劃的國(guo)際(ji)(ji)協(xie)議及相(xiang)應(ying)國(guo)際(ji)(ji)組(zu)織的建(jian)立(li)，并表示歡迎中國(guo)與美國(guo)參加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃。中國(guo)于2003年1月初正(zheng)式(shi)宣布參加(jia)(jia)(jia)協(xie)商(shang)，其后美國(guo)在1月末(mo)由布什總(zong)統特(te)別宣布重新參加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃，韓國(guo)在2005年被接受參加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃協(xie)商(shang)。以上六方于2005年6月簽訂(ding)協(xie)議，一(yi)致同意把ITER建(jian)在法國(guo)核技術研究(jiu)中心Cadarache，從而(er)結束了激烈的"選址(zhi)大戰"。印度于2006年加(jia)(jia)(jia)入ITER協(xie)商(shang)。七個成員國(guo)政府于2006年5月25日草簽了建(jian)設ITER的國(guo)際(ji)(ji)協(xie)定。目前國(guo)際(ji)(ji)組(zu)織正(zheng)在組(zu)建(jian)，總(zong)干(gan)事和(he)副總(zong)干(gan)事人選已(yi)確定。還有一(yi)些國(guo)家也正(zheng)在考慮參加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃。

在ITER建設(she)總投(tou)資的50億(yi)美(mei)元（1998年值）中(zhong)(zhong)，歐盟貢獻46%，美(mei)、日、俄、中(zhong)(zhong)、韓、印各貢獻約9%。根據協議，中(zhong)(zhong)國(guo)貢獻中(zhong)(zhong)的70%以上由我國(guo)制造所(suo)約定的ITER部(bu)件折算，10%由我國(guo)派出所(suo)需合格人(ren)員折算，需支付國(guo)際組織的外匯不到20%。

作為(wei)聚變(bian)能實驗堆，ITER要把上(shang)億度、由氘氚組成(cheng)的(de)(de)高(gao)(gao)溫等離子(zi)體(ti)約(yue)束在體(ti)積(ji)達(da)837立(li)方米的(de)(de)"磁(ci)籠(long)"中，產生(sheng)50萬千(qian)瓦的(de)(de)聚變(bian)功率，持續時(shi)間達(da)500秒(miao)。50萬千(qian)瓦熱功率已經相(xiang)當于一(yi)個小型熱電站的(de)(de)水平。這將是(shi)人類第一(yi)次在地(di)球上(shang)獲得(de)持續的(de)(de)、有大(da)量核聚變(bian)反(fan)應的(de)(de)高(gao)(gao)溫等離子(zi)體(ti)，產生(sheng)接近(jin)電站規模的(de)(de)受控聚變(bian)能。

在(zai)ITER上開展的(de)(de)研究工作將(jiang)(jiang)(jiang)揭示這種帶有氘氚核聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)的(de)(de)高溫等離(li)子體的(de)(de)特性，探索它的(de)(de)約(yue)束、加熱和(he)能(neng)(neng)(neng)量損失機制(zhi)，等離(li)子體邊界的(de)(de)行(xing)(xing)為以及的(de)(de)控(kong)制(zhi)條件(jian)，從而(er)為今后(hou)建設(she)(she)商用的(de)(de)核聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)堆奠定(ding)堅實(shi)的(de)(de)科(ke)學基礎。對ITER裝置工程整體及各(ge)部件(jian)在(zai)50萬(wan)千瓦(wa)聚(ju)變(bian)功率長時間(jian)持續過程中(zhong)產生的(de)(de)變(bian)化及可(ke)能(neng)(neng)(neng)出現問題(ti)的(de)(de)研究，不僅(jin)將(jiang)(jiang)(jiang)驗(yan)證受控(kong)熱核聚(ju)變(bian)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)工程可(ke)行(xing)(xing)性，而(er)且還將(jiang)(jiang)(jiang)對今后(hou)如何設(she)(she)計和(he)建造聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)堆提供必不可(ke)少的(de)(de)信(xin)息。

ITER的建設、運行和(he)實驗(yan)研究是人類發展聚(ju)變能的必要一步，有可能直接決定真正聚(ju)變示范電(dian)站（DEMO）的設計和(he)建設，并進而促進商用聚(ju)變電(dian)站的更(geng)快實現。

ITER裝置是一個(ge)能產生大(da)規模核(he)聚(ju)變反應(ying)(ying)的超導(dao)托克(ke)馬克(ke)。其裝置中心(xin)是高溫氘氚等離(li)子(zi)體環(huan)，其中存(cun)在15兆安的等離(li)子(zi)體電流，核(he)聚(ju)變反應(ying)(ying)功(gong)率達(da)50萬(wan)千瓦(wa)，每秒(miao)釋放多達(da)1020個(ge)高能中子(zi)。等離(li)子(zi)體環(huan)在屏(ping)蔽(bi)包(bao)(bao)層的環(huan)型包(bao)(bao)套中，屏(ping)蔽(bi)包(bao)(bao)層將吸收50萬(wan)千瓦(wa)熱功(gong)率及核(he)聚(ju)變反應(ying)(ying)所(suo)(suo)產生的所(suo)(suo)有(you)中子(zi)。

在包層(ceng)外是巨大的環形真(zhen)空(kong)室(shi)(shi)(shi)。在下側有偏慮(lv)器與真(zhen)空(kong)室(shi)(shi)(shi)相連，可排出核反(fan)應后的廢氣(qi)。真(zhen)空(kong)室(shi)(shi)(shi)穿在16個大型超導環向場線(xian)圈(quan)(quan)（即縱(zong)場線(xian)圈(quan)(quan)）中(zhong)。

環向超(chao)導磁體(ti)將產生5.3特斯(si)拉的(de)環向強磁場，是裝置(zhi)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)之(zhi)一，價值超(chao)過12億(yi)美元。

穿過環的(de)中心(xin)是一個(ge)巨大的(de)超導線圈(quan)筒（中心(xin)螺(luo)管），在(zai)環向(xiang)場(chang)線圈(quan)外側還布有六個(ge)大型環向(xiang)超導線圈(quan)，即極向(xiang)場(chang)線圈(quan)。中心(xin)螺(luo)管和極向(xiang)場(chang)線圈(quan)的(de)作用是產生等(deng)(deng)離子體電(dian)流和控(kong)制等(deng)(deng)離子體位形。

上述系統整個被罩(zhao)于一個大(da)杜瓦(wa)(wa)中，坐(zuo)落(luo)于底座上，構成實驗堆本(ben)體(ti)。在本(ben)體(ti)外(wai)分(fen)布4個10兆瓦(wa)(wa)的強流粒子(zi)加速器(qi)，10兆瓦(wa)(wa)的穩態(tai)毫(hao)米(mi)電磁波系統，20兆瓦(wa)(wa)的射頻(pin)波系統及數十(shi)種先進的等離子(zi)體(ti)診(zhen)斷測(ce)量系統。

整個(ge)體系還包括：大(da)型(xing)供電系統、大(da)型(xing)氚工廠、大(da)型(xing)供水（包括去離子水）系統、大(da)型(xing)高(gao)真空系統、大(da)型(xing)液(ye)氮、液(ye)氦(hai)低(di)溫系統等。

ITER本體內所有(you)可能(neng)的(de)(de)調整和維(wei)修都是(shi)通(tong)過(guo)遠程控制的(de)(de)機器人或機器手完成。

ITER裝(zhuang)置不僅反(fan)映了國(guo)際聚變能(neng)研究的(de)新(xin)成果(guo)，而(er)且(qie)綜合了當(dang)今世(shi)界(jie)各領域的(de)一些(xie)頂尖(jian)技術(shu)(shu)，如：大型超導磁體技術(shu)(shu)，中(zhong)能(neng)高流強加速器技術(shu)(shu)，連續(xu)、大功率毫米波技術(shu)(shu)，復雜(za)的(de)遠程(cheng)控制(zhi)技術(shu)(shu)等(deng)等(deng)。

2013年9月25日（北京時間(jian)）消息，勞倫斯·利弗(fu)莫爾國家實驗室報告(gao)稱(cheng)，世(shi)界大激光器、被稱(cheng)為(wei)“人(ren)造太陽”的(de)美國國家點火裝置（NIF）正(zheng)距離(li)其(qi)目(mu)標越來越近(jin)，顯示了一(yi)個可持續核(he)聚變(bian)反應裝置正(zheng)在由夢想逐步(bu)成為(wei)現(xian)實。不過在設施達到高度穩定前，目(mu)前仍有一(yi)個顯著障礙有待克服(fu)。