科技日報：ITER又有新進展 地球上種的“太陽”已“發芽”
文章來源：科技日報 發布時間：2020-09-03
國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程此前在法國南部圣保羅-萊迪朗斯鎮正式啟動安裝
當地時間8月31日，在法國南部卡達拉舍，國際熱核聚變實驗堆（ITER）托卡馬克裝置杜瓦下部筒體吊裝工作圓滿完成。這是ITER計劃重大工程安裝啟動儀式后的第一個重大部件安裝。
此次吊裝精度和形變控制要求極高，杜瓦下部筒體直徑30米，高10米，重量約400噸，尺寸大約占ITER托卡馬克裝置的三分之一。中核集團牽頭的中法聯合體技術團隊承擔此次吊裝工作，在與業主反復進行計算確認，對吊具的尺寸、現場吊裝路徑以及用于就位調整的工具進行反復模擬后，在理論上確保了吊裝安裝工作的安全，并在正式吊裝前多次組織吊裝方案推演并進行吊裝試驗，確保調整工具和支撐工具狀態安全可用。
ITER計劃模仿的是太陽產生能量的過程——將氫同位素聚合成氦，釋放出取之不竭的熱核聚變能源。正因如此，它被形象地稱為“人造太陽”計劃。
太陽通過熱核聚變產生能量
中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所副所長鐘武律介紹，由于核反應過程中總質量發生虧損，按照愛因斯坦的質能方程E=mc2，核反應中相應地會釋放出巨大的能量。核反應可分為核裂變和核聚變。核裂變是指由較重的原子核分裂為較輕的原子核，而核聚變則是將較輕的原子核聚合為較重的原子核。
核聚變是宇宙的能源，太陽及恒星之所以發光發熱，正是因為其內部持續不斷地進行著輕核間的核聚變反應。
由于自身質量巨大，在強大的引力下，太陽會不斷擠壓其內部的氫原子核，使得內部的壓力和溫度變得極高，氫原子核間不斷相互碰撞，形成了可以產生核聚變反應的高溫高密度條件，從而發生核聚變釋放巨大能量。太陽核心溫度超過1500萬攝氏度，在這種極高溫條件下進行的核聚變反應也被稱為熱核聚變。
熱核聚變反應是氫彈爆炸的基礎。氫彈的爆炸依賴原子彈來引爆，可在瞬間產生巨大能量。在原子彈爆炸產生的高溫下，燃料的原子將全部電離成離子（原子核）和電子，它們組成的集合體即為等離子體。但氫彈爆炸是不可控的熱核聚變反應，不能作為提供能源的手段。于是人類便致力于在地球上實現人工控制下的核聚變反應即受控核聚變，希望利用太陽發光發熱的原理，為人類提供源源不斷的能源。
熱核聚變發生有三個苛刻條件
在所有核聚變反應中，氫的同位素——氘和氚的核聚變反應是相對容易實現的。因此人類至今探索研究的受控核聚變主要是基于氘氚聚變燃料的核聚變。
鐘武律說，實現可控核聚變反應，要求在人工控制條件下等離子體的離子溫度、密度與能量約束時間“三乘積”必須達到一定值。換句話說，只有核聚變反應釋放出足夠多的能量，才可維持核聚變反應堆的運轉并有可觀的能量輸出，使聚變反應循環進行。
但要在地球上模擬太陽產生能量的熱核聚變過程，面臨著眾多難題。熱核聚變發生的條件非常苛刻，第一是高溫條件，原子核必須具備足夠高的動能（如溫度達到上億攝氏度），才能克服原子核間的庫侖排斥力，使它們相互靠得足夠近，以便讓短程核間吸引力
發揮主要作用；第二是等離子體高密度條件，氘氚原子核的密度足夠高，可以提高原子核之間的碰撞進而發生核聚變反應的幾率；第三是長能量約束時間，將高溫高密度的核反應條件維持足夠長的時間，才能使核聚變反應得以持續進行。
聚全球之力共解磁約束核聚變難題
不僅發生核聚變的條件苛刻，而且開發聚變能還面臨一系列科學與技術挑戰。比如，氘氚原子核在溫度超過上億攝氏度后更容易發生聚變反應，極端高溫下的等離子體無法用普通固體容器來盛裝，為此科學家們提出用強磁場的方式將其“包裹”起來。
在國際上，利用強磁場來約束高溫等離子體的磁約束核聚變研究始于20世紀50年代，經歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器到托卡馬克等不同磁約束技術路線的探索。從20世紀70年代開始，托卡馬克途徑逐漸顯示出其獨特的優點，成為國際聚變能研究的主流途徑。
但要利用托卡馬克裝置實現對熱核聚變的控制，在關鍵技術上仍存在很大挑戰, 需凝聚全世界之力共同攻克。1985年美蘇首腦提出了ITER計劃，其目的就是希望通過國際聚變界的共同努力，集當今磁約束受控核聚變研究領域的主要科學和技術成果，建造一座熱核聚變反應堆，以驗證核聚變能和平利用的科學和工程技術可行性。
2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共七方簽署了啟動ITER項目的協定。該計劃是目前全球規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一, 七方超過35個國家在法國南部參與建造了一個能產生大規模核聚變反應的超導托卡馬克裝置，它將驗證如何將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長的時間，使它受控制地發生核聚變反應。
鐘武律介紹，ITER裝置高30米，直徑28米，重達2萬噸，目標有3個：驗證核反應堆級別的裝置主機集成技術；驗證裝置的穩定運行能力；實現聚變反應的輸出功率至少10倍于輸入功率（即聚變功率增益因子Q要大于10），演示50萬千瓦聚變反應功率的可靠運行。
中國核聚變目標更在ITER之外
隨著科技日新月異，未來在核聚變能開發方面將不斷涌現技術革新，或可能出現顛覆性技術革命，比如隨著高溫超導技術的發展，若采用高溫超導強磁場技術，可獲得高的聚變功率密度，可減小裝置的尺寸，提高聚變堆的經濟性，且強磁場更利于聚變等離子體的高性能穩態運行。
以ITER為標志，磁約束核聚變研究正進入反應堆工程與實驗階段。國際主要發展聚變能的國家以瞄準未來設計建設本國聚變示范堆（DEMO）為目標，重點開展聚變實驗堆設計及關鍵技術攻關，并儲備相關經驗與人才隊伍。
對中國而言，參加ITER計劃是我國磁約束核聚變能研發計劃中的關鍵一步，我國自主建造未來聚變堆仍面臨一系列關鍵科學與技術挑戰，需提前布局，一一攻克。
根據中國核聚變研究發展現狀，我國制定了發展路線和目標。2011年開始的中國聚變工程試驗堆（CFETR）設計研究，就是該路線的一個重要方面。
“縱觀國際聚變發展，受控核聚變有望于21世紀中葉實現和平利用。”鐘武律說，立足我國磁約束核聚變研究現狀，下一步我國核聚變的發展應充分利用ITER的建設與運行，重點進行人才培養與技術儲備，瞄準自主設計建造聚變堆，開展ITER未涵蓋的未來聚變堆關鍵技術攻關。
【責任編輯：趙藝涵】
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