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基本介紹

“國(guo)(guo)際熱核聚(ju)變實驗堆（ITER）計(ji)(ji)劃(hua)”是目前全球(qiu)規模(mo)最大(da)、影(ying)響最深(shen)遠的(de)國(guo)(guo)際科研(yan)合作項目之一(yi)，建造約需10年(nian)，耗資50億美元（1998年(nian)值）。ITER裝置是一(yi)個能產生(sheng)大(da)規模(mo)核聚(ju)變反應的(de)超導托克(ke)馬(ma)克(ke)，俗稱“人造太(tai)陽”。2003年(nian)1月(yue)，國(guo)(guo)務院批(pi)準(zhun)我國(guo)(guo)參(can)加(jia)ITER計(ji)(ji)劃(hua)談(tan)(tan)判，2006年(nian)5月(yue)，經國(guo)(guo)務院批(pi)準(zhun)，中國(guo)(guo)ITER談(tan)(tan)判聯合小組代(dai)表我國(guo)(guo)政府與(yu)歐盟、印度、日(ri)本、韓國(guo)(guo)、俄(e)羅(luo)斯和美國(guo)(guo)共(gong)同(tong)草簽了(le)ITER計(ji)(ji)劃(hua)協定。這七(qi)方包括了(le)全世界(jie)主(zhu)要(yao)的(de)核國(guo)(guo)家和主(zhu)要(yao)的(de)亞洲國(guo)(guo)家，覆蓋的(de)人口接近全球(qiu)一(yi)半。我國(guo)(guo)參(can)加(jia)ITER計(ji)(ji)劃(hua)是基于能源(yuan)長遠的(de)基本需求。2013年(nian)1月(yue)5日(ri)中科院合肥物質研(yan)究院宣布，“人造太(tai)陽”實驗裝置輔(fu)助加(jia)熱工程的(de)中性(xing)束注入系統(tong)在綜合測(ce)試平臺上(shang)成功實現100秒長脈沖氫(qing)中性(xing)束引出。

建設沿革

由(you)于聚變能的研(yan)究不(bu)僅(jin)關(guan)系到解(jie)決(jue)人類能源問(wen)題(ti)，而(er)且還涉及眾多先進且非常敏感的技術(shu)，因此，ITER計(ji)劃的形(xing)成除(chu)與科學技術(shu)本身的發展有關(guan)外，還始(shi)終與主要(yao)大國(guo)在(zai)政治和(he)外交方面的考慮分不(bu)開。本文將主要(yao)從科學和(he)技術(shu)角度作一些分析和(he)說(shuo)明。

1985年，作為(wei)結束冷戰的標(biao)(biao)志性行(xing)動(dong)(dong)之一，前蘇聯領導人戈爾巴喬夫和(he)美(mei)國總統里根(gen)在日內瓦峰會上(shang)倡議，由美(mei)、蘇、歐(ou)、日共同啟動(dong)(dong)"國際熱核(he)(he)聚(ju)變(bian)實驗堆(dui)（ITER）"計(ji)劃。ITER計(ji)劃的目(mu)標(biao)(biao)是要建造(zao)一個可自持燃燒（即"點火"）的托可馬克核(he)(he)聚(ju)變(bian)實驗堆(dui)，以便對未來聚(ju)變(bian)示范(fan)堆(dui)及商用聚(ju)變(bian)堆(dui)的物理和(he)工程(cheng)問題做深入探(tan)索。

該計劃(hua)僅確定(ding)由美(mei)、俄、歐、日(ri)四(si)方(fang)參加，獨立于(yu)聯(lian)合(he)國原子能委員會（IAEA）之外(wai)，總部分(fen)設美(mei)、日(ri)、歐三(san)處(chu)。由于(yu)當時的(de)科(ke)學和(he)技術條件還不成(cheng)熟，四(si)方(fang)科(ke)技人(ren)員于(yu)1996年(nian)(nian)(nian)(nian)提出(chu)的(de)ITER初步設計很不合(he)理(li)，要求投資上百億(yi)美(mei)元。1998年(nian)(nian)(nian)(nian)，美(mei)國出(chu)于(yu)政治(zhi)原因及國內紛爭，以加強基(ji)(ji)礎研究(jiu)為名，宣布退出(chu)ITER計劃(hua)。歐、日(ri)、俄三(san)方(fang)則繼(ji)續(xu)堅持合(he)作，并基(ji)(ji)于(yu)上世紀(ji)90年(nian)(nian)(nian)(nian)代核(he)聚變(bian)研究(jiu)及其他高新技術的(de)新發(fa)展，大(da)幅度修改實驗堆的(de)設計。2001年(nian)(nian)(nian)(nian)，歐、日(ri)、俄聯(lian)合(he)工(gong)作組(zu)完(wan)成(cheng)了ITER裝置新的(de)工(gong)程(cheng)設計（EDA）及主(zhu)要部件的(de)研制，預計建造(zao)費(fei)用為50億(yi)美(mei)元（1998年(nian)(nian)(nian)(nian)價），建造(zao)期8至10年(nian)(nian)(nian)(nian)，運行期20年(nian)(nian)(nian)(nian)。其后(hou)，三(san)方(fang)分(fen)別組(zu)織了獨立的(de)審查，都認為設計合(he)理(li)，基(ji)(ji)本上可以接受。

2002年(nian)，歐、日(ri)、俄三(san)方(fang)以(yi)EDA為基礎(chu)開始(shi)協商(shang)ITER計(ji)劃(hua)的(de)國(guo)(guo)際(ji)(ji)協議(yi)及(ji)相應(ying)國(guo)(guo)際(ji)(ji)組(zu)織的(de)建(jian)(jian)立，并表示歡迎中國(guo)(guo)與(yu)美國(guo)(guo)參加ITER計(ji)劃(hua)。中國(guo)(guo)于(yu)(yu)2003年(nian)1月(yue)初正(zheng)式宣(xuan)布(bu)參加協商(shang)，其(qi)后美國(guo)(guo)在(zai)(zai)1月(yue)末由布(bu)什總統特別(bie)宣(xuan)布(bu)重(zhong)新參加ITER計(ji)劃(hua)，韓(han)國(guo)(guo)在(zai)(zai)2005年(nian)被接受(shou)參加ITER計(ji)劃(hua)協商(shang)。以(yi)上六方(fang)于(yu)(yu)2005年(nian)6月(yue)簽(qian)訂協議(yi)，一致同意把ITER建(jian)(jian)在(zai)(zai)法國(guo)(guo)核技術研(yan)究中心Cadarache，從而結束(shu)了(le)激烈(lie)的(de)"選址大戰"。印度于(yu)(yu)2006年(nian)加入ITER協商(shang)。七個(ge)成(cheng)員國(guo)(guo)政府于(yu)(yu)2006年(nian)5月(yue)25日(ri)草簽(qian)了(le)建(jian)(jian)設ITER的(de)國(guo)(guo)際(ji)(ji)協定。目前國(guo)(guo)際(ji)(ji)組(zu)織正(zheng)在(zai)(zai)組(zu)建(jian)(jian)，總干(gan)事(shi)和副總干(gan)事(shi)人選已(yi)確定。還有一些國(guo)(guo)家也正(zheng)在(zai)(zai)考慮參加ITER計(ji)劃(hua)。

在ITER建(jian)設總投資的(de)(de)50億美元（1998年值）中(zhong)，歐盟(meng)貢獻(xian)46%，美、日、俄、中(zhong)、韓、印各貢獻(xian)約9%。根(gen)據協議，中(zhong)國(guo)貢獻(xian)中(zhong)的(de)(de)70%以上由我國(guo)制造所約定的(de)(de)ITER部件折算(suan)，10%由我國(guo)派(pai)出(chu)所需合格人員折算(suan)，需支付國(guo)際(ji)組織的(de)(de)外(wai)匯不到(dao)20%。

作(zuo)為(wei)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)能(neng)實驗堆，ITER要把上(shang)億度(du)、由氘氚(chuan)組成的(de)(de)(de)高溫等離子體(ti)約束在(zai)體(ti)積達(da)837立(li)方(fang)米(mi)的(de)(de)(de)"磁籠(long)"中，產生(sheng)50萬(wan)千瓦的(de)(de)(de)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)功(gong)率，持續(xu)時間(jian)達(da)500秒。50萬(wan)千瓦熱功(gong)率已經相(xiang)當于一個小型熱電站的(de)(de)(de)水平(ping)。這(zhe)將是人類第一次在(zai)地球上(shang)獲得持續(xu)的(de)(de)(de)、有大(da)量核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)反應的(de)(de)(de)高溫等離子體(ti)，產生(sheng)接近(jin)電站規模的(de)(de)(de)受控(kong)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)能(neng)。

在ITER上開展的(de)研究(jiu)工作(zuo)將(jiang)(jiang)揭示這種(zhong)帶有(you)氘氚核(he)聚(ju)變(bian)反(fan)(fan)應(ying)的(de)高(gao)溫等(deng)離子(zi)體的(de)特性，探索它(ta)的(de)約束、加熱和能(neng)量損失機(ji)制(zhi)，等(deng)離子(zi)體邊界的(de)行(xing)為(wei)以(yi)及(ji)(ji)的(de)控制(zhi)條件，從而為(wei)今后(hou)建設商(shang)用的(de)核(he)聚(ju)變(bian)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)奠定堅(jian)實的(de)科學基礎(chu)。對ITER裝置工程(cheng)整體及(ji)(ji)各部件在50萬千瓦聚(ju)變(bian)功率長時(shi)間持續過程(cheng)中產生的(de)變(bian)化及(ji)(ji)可(ke)能(neng)出現問題的(de)研究(jiu)，不僅(jin)將(jiang)(jiang)驗證受控熱核(he)聚(ju)變(bian)能(neng)的(de)工程(cheng)可(ke)行(xing)性，而且還將(jiang)(jiang)對今后(hou)如何設計和建造聚(ju)變(bian)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)提(ti)供必(bi)不可(ke)少的(de)信(xin)息。

ITER的建設(she)(she)、運行和實驗研究(jiu)是人類發展聚變能(neng)的必要(yao)一(yi)步(bu)，有(you)可能(neng)直(zhi)接決定真正聚變示(shi)范電站(zhan)（DEMO）的設(she)(she)計(ji)和建設(she)(she)，并(bing)進(jin)而(er)促進(jin)商用聚變電站(zhan)的更快實現。

ITER裝置(zhi)是一個(ge)能(neng)產生大規模核聚(ju)變(bian)反應的超導托克馬克。其(qi)(qi)裝置(zhi)中(zhong)心是高(gao)溫氘氚等(deng)(deng)離子體環，其(qi)(qi)中(zhong)存在15兆安的等(deng)(deng)離子體電流(liu)，核聚(ju)變(bian)反應功(gong)率達(da)50萬千瓦，每秒釋放多(duo)達(da)1020個(ge)高(gao)能(neng)中(zhong)子。等(deng)(deng)離子體環在屏(ping)蔽(bi)包層(ceng)的環型(xing)包套中(zhong)，屏(ping)蔽(bi)包層(ceng)將(jiang)吸(xi)收(shou)50萬千瓦熱功(gong)率及核聚(ju)變(bian)反應所(suo)產生的所(suo)有中(zhong)子。

在包層外是巨大的環形真空(kong)室(shi)。在下側有偏慮器(qi)與真空(kong)室(shi)相連(lian)，可(ke)排出核反應后的廢氣。真空(kong)室(shi)穿在16個(ge)大型超(chao)導環向(xiang)場線圈（即縱(zong)場線圈）中。

環向(xiang)超(chao)導磁體(ti)將產(chan)生5.3特(te)斯拉的環向(xiang)強磁場，是裝置(zhi)的關鍵部(bu)件(jian)之(zhi)一，價值超(chao)過12億美元。

穿過(guo)環的中心(xin)是一個(ge)巨(ju)大的超導線(xian)圈(quan)(quan)(quan)筒(tong)（中心(xin)螺管），在環向場線(xian)圈(quan)(quan)(quan)外側(ce)還布有六個(ge)大型環向超導線(xian)圈(quan)(quan)(quan)，即極向場線(xian)圈(quan)(quan)(quan)。中心(xin)螺管和(he)極向場線(xian)圈(quan)(quan)(quan)的作用是產(chan)生等離子體電流和(he)控制等離子體位(wei)形。

上述系(xi)統整個(ge)被(bei)罩于(yu)一個(ge)大杜瓦中，坐落(luo)于(yu)底座上，構成實驗(yan)堆本(ben)(ben)體。在本(ben)(ben)體外分布4個(ge)10兆瓦的強流粒子加速器，10兆瓦的穩態毫米電磁(ci)波系(xi)統，20兆瓦的射頻波系(xi)統及(ji)數十種先(xian)進的等離(li)子體診斷測量系(xi)統。

整(zheng)個體系(xi)(xi)還包括：大(da)型供電系(xi)(xi)統、大(da)型氚工(gong)廠、大(da)型供水（包括去離子水）系(xi)(xi)統、大(da)型高真空系(xi)(xi)統、大(da)型液氮、液氦低溫系(xi)(xi)統等。

ITER本體內所(suo)有可能的調整(zheng)和維修(xiu)都是通過遠程控制的機器人或機器手完(wan)成。

ITER裝置(zhi)不僅反映了國際聚變能(neng)研究的(de)新成果，而且綜合了當今世界各領域的(de)一些頂尖技(ji)(ji)術(shu)，如：大型超導磁體技(ji)(ji)術(shu)，中能(neng)高(gao)流(liu)強加(jia)速器技(ji)(ji)術(shu)，連(lian)續、大功(gong)率毫米(mi)波(bo)技(ji)(ji)術(shu)，復雜的(de)遠(yuan)程控(kong)制技(ji)(ji)術(shu)等等。

2013年9月25日（北京時間）消(xiao)息(xi)，勞倫斯·利弗(fu)莫爾國家(jia)實(shi)(shi)驗室報告稱(cheng)，世界(jie)大(da)激光器、被稱(cheng)為“人造太陽”的美國國家(jia)點(dian)火裝置（NIF）正(zheng)(zheng)距離其目(mu)標越(yue)來越(yue)近(jin)，顯(xian)示了一個可持續核聚(ju)變反應裝置正(zheng)(zheng)在由夢(meng)想逐(zhu)步成為現實(shi)(shi)。不(bu)過在設施達到高度穩(wen)定前(qian)，目(mu)前(qian)仍有一個顯(xian)著障礙有待克服(fu)。