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基本介紹

“國(guo)(guo)際熱(re)核(he)聚變實驗(yan)堆（ITER）計(ji)劃”是目(mu)前全球(qiu)規(gui)模(mo)最大(da)(da)、影響(xiang)最深遠(yuan)的(de)國(guo)(guo)際科(ke)研(yan)合(he)作項目(mu)之一(yi)(yi)，建造約需10年(nian)，耗資(zi)50億美(mei)元（1998年(nian)值）。ITER裝置是一(yi)(yi)個能產生大(da)(da)規(gui)模(mo)核(he)聚變反(fan)應的(de)超(chao)導(dao)托(tuo)克馬(ma)克，俗稱“人(ren)造太陽”。2003年(nian)1月(yue)，國(guo)(guo)務(wu)院批準我國(guo)(guo)參加ITER計(ji)劃談(tan)判，2006年(nian)5月(yue)，經國(guo)(guo)務(wu)院批準，中國(guo)(guo)ITER談(tan)判聯合(he)小組代表我國(guo)(guo)政府與歐盟、印度、日(ri)(ri)本、韓國(guo)(guo)、俄羅(luo)斯(si)和美(mei)國(guo)(guo)共同草(cao)簽了ITER計(ji)劃協定(ding)。這七方包括了全世(shi)界主要(yao)的(de)核(he)國(guo)(guo)家(jia)和主要(yao)的(de)亞洲國(guo)(guo)家(jia)，覆蓋的(de)人(ren)口接近(jin)全球(qiu)一(yi)(yi)半。我國(guo)(guo)參加ITER計(ji)劃是基于能源長(chang)遠(yuan)的(de)基本需求。2013年(nian)1月(yue)5日(ri)(ri)中科(ke)院合(he)肥物質研(yan)究院宣(xuan)布，“人(ren)造太陽”實驗(yan)裝置輔(fu)助加熱(re)工程(cheng)的(de)中性束注入系統在綜合(he)測試(shi)平臺上(shang)成功實現100秒長(chang)脈(mo)沖(chong)氫(qing)中性束引(yin)出。

建設沿革

由(you)于聚變能(neng)的研究(jiu)不僅關(guan)系到(dao)解決人類能(neng)源(yuan)問題(ti)，而且(qie)還涉及眾多(duo)先進且(qie)非(fei)常敏感的技術，因(yin)此，ITER計劃的形(xing)成除與科(ke)學(xue)技術本(ben)身的發展有關(guan)外(wai)，還始(shi)終與主要大國在(zai)政治和(he)外(wai)交方面(mian)的考慮(lv)分(fen)(fen)不開。本(ben)文將主要從科(ke)學(xue)和(he)技術角度作一些分(fen)(fen)析和(he)說明。

1985年，作為結束冷(leng)戰(zhan)的標(biao)志(zhi)性(xing)行動(dong)之一，前蘇(su)聯(lian)領導人(ren)戈(ge)爾巴喬(qiao)夫和美國(guo)總統里(li)根在(zai)日(ri)內瓦峰會(hui)上倡議(yi)，由美、蘇(su)、歐、日(ri)共同(tong)啟(qi)動(dong)"國(guo)際熱核(he)聚變(bian)實驗(yan)堆(dui)（ITER）"計劃。ITER計劃的目標(biao)是要(yao)建造(zao)一個可(ke)自持(chi)燃燒（即"點火"）的托可(ke)馬克(ke)核(he)聚變(bian)實驗(yan)堆(dui)，以(yi)便(bian)對未來聚變(bian)示范(fan)堆(dui)及商用聚變(bian)堆(dui)的物(wu)理和工程問題(ti)做深入探索。

該計(ji)(ji)劃僅(jin)確定由美(mei)、俄、歐、日(ri)四(si)(si)方參加(jia)，獨(du)(du)立于聯合(he)國(guo)原子能委(wei)員會（IAEA）之外，總部分設(she)(she)美(mei)、日(ri)、歐三處。由于當時的(de)(de)(de)科(ke)學(xue)和技(ji)(ji)術條件(jian)還不成熟，四(si)(si)方科(ke)技(ji)(ji)人員于1996年提出(chu)的(de)(de)(de)ITER初步設(she)(she)計(ji)(ji)很不合(he)理，要求投資上(shang)百億美(mei)元。1998年，美(mei)國(guo)出(chu)于政治(zhi)原因及(ji)(ji)國(guo)內紛爭，以加(jia)強基礎研(yan)究為(wei)名，宣布退出(chu)ITER計(ji)(ji)劃。歐、日(ri)、俄三方則繼續(xu)堅持合(he)作，并基于上(shang)世(shi)紀90年代核聚變研(yan)究及(ji)(ji)其他高新(xin)技(ji)(ji)術的(de)(de)(de)新(xin)發展，大(da)幅度修改實驗堆的(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)。2001年，歐、日(ri)、俄聯合(he)工(gong)作組(zu)完成了(le)ITER裝置新(xin)的(de)(de)(de)工(gong)程設(she)(she)計(ji)(ji)（EDA）及(ji)(ji)主要部件(jian)的(de)(de)(de)研(yan)制，預計(ji)(ji)建造費用(yong)為(wei)50億美(mei)元（1998年價(jia)），建造期(qi)8至10年，運行期(qi)20年。其后，三方分別組(zu)織(zhi)了(le)獨(du)(du)立的(de)(de)(de)審(shen)查，都認為(wei)設(she)(she)計(ji)(ji)合(he)理，基本上(shang)可以接受(shou)。

2002年(nian)(nian)，歐、日(ri)、俄三方以EDA為基礎開始協(xie)商(shang)ITER計(ji)劃(hua)的國際(ji)協(xie)議(yi)及相應國際(ji)組織(zhi)的建立，并表示(shi)歡迎中(zhong)國與美國參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃(hua)。中(zhong)國于(yu)(yu)2003年(nian)(nian)1月(yue)初正式宣布參(can)加(jia)(jia)(jia)協(xie)商(shang)，其后美國在1月(yue)末由(you)布什總統特(te)別(bie)宣布重新(xin)參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃(hua)，韓國在2005年(nian)(nian)被接受(shou)參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃(hua)協(xie)商(shang)。以上六方于(yu)(yu)2005年(nian)(nian)6月(yue)簽(qian)訂(ding)協(xie)議(yi)，一(yi)致同(tong)意把ITER建在法國核(he)技術研(yan)究(jiu)中(zhong)心Cadarache，從(cong)而(er)結束了(le)(le)激(ji)烈(lie)的"選址(zhi)大戰"。印度于(yu)(yu)2006年(nian)(nian)加(jia)(jia)(jia)入ITER協(xie)商(shang)。七(qi)個成員國政府于(yu)(yu)2006年(nian)(nian)5月(yue)25日(ri)草簽(qian)了(le)(le)建設ITER的國際(ji)協(xie)定。目前國際(ji)組織(zhi)正在組建，總干(gan)事(shi)和副總干(gan)事(shi)人選已(yi)確定。還有一(yi)些國家(jia)也正在考慮參(can)加(jia)(jia)(jia)ITER計(ji)劃(hua)。

在ITER建設總投資的50億美元（1998年值）中(zhong)，歐盟貢(gong)(gong)獻(xian)46%，美、日、俄(e)、中(zhong)、韓、印各貢(gong)(gong)獻(xian)約9%。根(gen)據協議，中(zhong)國(guo)貢(gong)(gong)獻(xian)中(zhong)的70%以上由(you)我國(guo)制(zhi)造所約定(ding)的ITER部件折算(suan)，10%由(you)我國(guo)派(pai)出所需合格(ge)人員折算(suan)，需支(zhi)付(fu)國(guo)際組織的外匯不到(dao)20%。

作(zuo)為聚(ju)變(bian)能(neng)實驗(yan)堆，ITER要把上億(yi)度、由氘(dao)氚組成的(de)高溫等(deng)離子(zi)體(ti)約束在體(ti)積(ji)達837立方米的(de)"磁籠(long)"中，產(chan)生50萬千(qian)瓦的(de)聚(ju)變(bian)功率(lv)，持續時間達500秒。50萬千(qian)瓦熱功率(lv)已經相當(dang)于一個小型熱電(dian)站的(de)水平。這(zhe)將是(shi)人類第(di)一次(ci)在地球(qiu)上獲得持續的(de)、有大量核(he)聚(ju)變(bian)反應的(de)高溫等(deng)離子(zi)體(ti)，產(chan)生接(jie)近電(dian)站規(gui)模的(de)受控聚(ju)變(bian)能(neng)。

在(zai)ITER上開(kai)展(zhan)的(de)(de)研究工(gong)作將(jiang)(jiang)揭示這(zhe)種帶有氘(dao)氚(chuan)核聚變(bian)(bian)反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)高(gao)溫等離子(zi)(zi)體(ti)的(de)(de)特性(xing)，探索它的(de)(de)約束、加熱和能量(liang)損(sun)失機制(zhi)，等離子(zi)(zi)體(ti)邊界的(de)(de)行為(wei)以及(ji)的(de)(de)控制(zhi)條件(jian)，從而為(wei)今后(hou)建設(she)(she)商(shang)用的(de)(de)核聚變(bian)(bian)反(fan)應(ying)(ying)堆奠定堅實的(de)(de)科學基礎。對(dui)ITER裝(zhuang)置工(gong)程(cheng)整體(ti)及(ji)各部件(jian)在(zai)50萬千瓦聚變(bian)(bian)功率長時間持(chi)續過(guo)程(cheng)中產生的(de)(de)變(bian)(bian)化及(ji)可能出現問(wen)題的(de)(de)研究，不僅(jin)將(jiang)(jiang)驗證受控熱核聚變(bian)(bian)能的(de)(de)工(gong)程(cheng)可行性(xing)，而且還將(jiang)(jiang)對(dui)今后(hou)如何設(she)(she)計和建造聚變(bian)(bian)反(fan)應(ying)(ying)堆提供必不可少的(de)(de)信息。

ITER的建(jian)設、運行(xing)和(he)實驗研究是(shi)人類發展聚(ju)變能的必(bi)要一步，有可(ke)能直接決定(ding)真正聚(ju)變示(shi)范電站（DEMO）的設計和(he)建(jian)設，并(bing)進而促進商(shang)用(yong)聚(ju)變電站的更快實現。

ITER裝(zhuang)置(zhi)是一個能(neng)產(chan)生(sheng)大規模核(he)聚變(bian)反應(ying)的超導托克馬克。其(qi)(qi)裝(zhuang)置(zhi)中心是高(gao)溫氘氚(chuan)等(deng)(deng)離子(zi)(zi)(zi)(zi)體環，其(qi)(qi)中存在15兆(zhao)安的等(deng)(deng)離子(zi)(zi)(zi)(zi)體電流，核(he)聚變(bian)反應(ying)功率達(da)50萬千瓦，每秒(miao)釋放多達(da)1020個高(gao)能(neng)中子(zi)(zi)(zi)(zi)。等(deng)(deng)離子(zi)(zi)(zi)(zi)體環在屏蔽包(bao)(bao)層的環型包(bao)(bao)套(tao)中，屏蔽包(bao)(bao)層將吸收50萬千瓦熱(re)功率及核(he)聚變(bian)反應(ying)所產(chan)生(sheng)的所有中子(zi)(zi)(zi)(zi)。

在包層外是(shi)巨大的環(huan)形真(zhen)空(kong)(kong)室。在下側有(you)偏慮器與真(zhen)空(kong)(kong)室相(xiang)連(lian)，可排出核反應后的廢氣(qi)。真(zhen)空(kong)(kong)室穿在16個(ge)大型超導環(huan)向(xiang)場線圈（即縱場線圈）中。

環向超導(dao)磁體將產生5.3特斯拉的環向強磁場，是裝置的關鍵部件之一，價值(zhi)超過(guo)12億美元。

穿(chuan)過環(huan)的(de)中(zhong)心(xin)是一個巨(ju)大的(de)超(chao)導(dao)線圈筒(tong)（中(zhong)心(xin)螺管），在環(huan)向場線圈外側還布有六個大型環(huan)向超(chao)導(dao)線圈，即(ji)極(ji)向場線圈。中(zhong)心(xin)螺管和極(ji)向場線圈的(de)作用是產(chan)生等離子體電流和控制等離子體位形。

上(shang)述(shu)系統(tong)整個被罩于(yu)一個大杜瓦(wa)中，坐落于(yu)底(di)座上(shang)，構成實(shi)驗堆本(ben)體。在本(ben)體外分布4個10兆瓦(wa)的(de)強流粒子加速器，10兆瓦(wa)的(de)穩態毫米電磁波(bo)系統(tong)，20兆瓦(wa)的(de)射頻波(bo)系統(tong)及數十種先進的(de)等離子體診斷測量系統(tong)。

整(zheng)個體(ti)系(xi)(xi)(xi)還包括(kuo)(kuo)：大(da)型(xing)(xing)供電系(xi)(xi)(xi)統、大(da)型(xing)(xing)氚工廠(chang)、大(da)型(xing)(xing)供水(shui)（包括(kuo)(kuo)去離子(zi)水(shui)）系(xi)(xi)(xi)統、大(da)型(xing)(xing)高(gao)真空系(xi)(xi)(xi)統、大(da)型(xing)(xing)液氮、液氦低溫系(xi)(xi)(xi)統等。

ITER本體內所(suo)有(you)可能(neng)的(de)(de)調整(zheng)和維修都是通過(guo)遠程控制的(de)(de)機(ji)器人或機(ji)器手完成。

ITER裝置不僅(jin)反(fan)映了(le)國(guo)際聚變能研究(jiu)的(de)新(xin)成果，而且綜(zong)合了(le)當今(jin)世(shi)界各領域的(de)一(yi)些頂尖技(ji)術(shu)，如：大(da)型超導磁體(ti)技(ji)術(shu)，中能高流強加(jia)速(su)器(qi)技(ji)術(shu)，連續、大(da)功率毫(hao)米波技(ji)術(shu)，復雜的(de)遠(yuan)程控(kong)制技(ji)術(shu)等等。

2013年9月25日（北京(jing)時(shi)間）消息，勞(lao)倫斯·利弗莫爾國(guo)家實(shi)驗室報告稱，世界大激光器、被稱為“人(ren)造太(tai)陽”的美國(guo)國(guo)家點火(huo)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)（NIF）正(zheng)距離其目標越(yue)來越(yue)近(jin)，顯示(shi)了一個(ge)可持續核聚(ju)變反應裝(zhuang)置(zhi)(zhi)正(zheng)在(zai)由夢想逐步成為現實(shi)。不過在(zai)設施達到高度(du)穩定前，目前仍有一個(ge)顯著(zhu)障礙有待克服(fu)。