ITER又有新進(jìn)展 地球上種的“太陽(yáng)”已“發(fā)芽”

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃重大工程此前在法國(guó)南部圣保羅-萊迪朗斯鎮(zhèn)正式啟動(dòng)安裝

　　當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月31日，在法國(guó)南部卡達(dá)拉舍，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)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(jì)劃重大工程安裝啟動(dòng)儀式后的第一個(gè)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(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體技術(shù)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)此次吊裝工作，在與業(yè)主反復(fù)進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)，對(duì)吊具的尺寸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝路徑以及用于就位調(diào)整的工具進(jìn)行反復(fù)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(jìn)行吊裝試驗(yàn)，確保調(diào)整工具和支撐工具狀態(tài)安全可用。

　　ITER計(jì)劃模仿的是太陽(yáng)產(chǎn)生能量的過(guò)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(yáng)”計(jì)劃。

　　
太陽(yáng)通過(guò)熱核聚變產(chǎn)生能量

　　中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(zhǎng)鐘武律介紹，由于核反應(yīng)過(guò)程中總質(zhì)量發(fā)生虧損，按照愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，核反應(yīng)中相應(yīng)地會(huì)釋放出巨大的能量。核反應(yīng)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(yáng)及恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，正是因?yàn)槠鋬?nèi)部持續(xù)不斷地進(jìn)行著輕核間的核聚變反應(yīng)。

　　由于自身質(zhì)量巨大，在強(qiáng)大的引力下，太陽(yáng)會(huì)不斷擠壓其內(nèi)部的氫原子核，使得內(nèi)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(chǎn)生核聚變反應(yīng)的高溫高密度條件，從而發(fā)生核聚變釋放巨大能量。太陽(yáng)核心溫度超過(guò)1500萬(wàn)攝氏度，在這種極高溫條件下進(jìn)行的核聚變反應(yīng)也被稱為熱核聚變。

　　熱核聚變反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)。氫彈的爆炸依賴原子彈來(lái)引爆，可在瞬間產(chǎn)生巨大能量。在原子彈爆炸產(chǎn)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(yīng)，不能作為提供能源的手段。于是人類便致力于在地球上實(shí)現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)即受控核聚變，希望利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類提供源源不斷的能源。

　　
熱核聚變發(fā)生有三個(gè)苛刻條件

　　在所有核聚變反應(yīng)中，氫的同位素——氘和氚的核聚變反應(yīng)是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)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?nèi)剂系暮司圩儭?/p>

　　鐘武律說(shuō)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，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(shí)間“三乘積”必須達(dá)到一定值。換句話說(shuō)，只有核聚變反應(yīng)釋放出足夠多的能量，才可維持核聚變反應(yīng)堆的運(yùn)轉(zhuǎn)并有可觀的能量輸出，使聚變反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行。

　　但要在地球上模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量的熱核聚變過(guò)程，面臨著眾多難題。熱核聚變發(fā)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(dòng)能(如溫度達(dá)到上億攝氏度)，才能克服原子核間的庫(kù)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(fā)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(jìn)而發(fā)生核聚變反應(yīng)的幾率;第三是長(zhǎng)能量約束時(shí)間，將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能使核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行。

　　
聚全球之力共解磁約束核聚變難題

　　不僅發(fā)生核聚變的條件苛刻，而且開(kāi)發(fā)聚變能還面臨一系列科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，氘氚原子核在溫度超過(guò)上億攝氏度后更容易發(fā)生聚變反應(yīng)，極端高溫下的等離子體無(wú)法用普通固體容器來(lái)盛裝，為此科學(xué)家們提出用強(qiáng)磁場(chǎng)的方式將其“包裹”起來(lái)。

　　在國(guó)際上，利用強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)約束高溫等離子體的磁約束核聚變研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器到托卡馬克等不同磁約束技術(shù)路線的探索。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，托卡馬克途徑逐漸顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)際聚變能研究的主流途徑。

　　但要利用托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核聚變的控制，在關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn), 需凝聚全世界之力共同攻克。1985年美蘇首腦提出了ITER計(jì)劃，其目的就是希望通過(guò)國(guó)際聚變界的共同努力，集當(dāng)今磁約束受控核聚變研究領(lǐng)域的主要科學(xué)和技術(shù)成果，建造一座熱核聚變反應(yīng)堆，以驗(yàn)證核聚變能和平利用的科學(xué)和工程技術(shù)可行性。

　　2006年，中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度共七方簽署了啟動(dòng)ITER項(xiàng)目的協(xié)定。該計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際大科學(xué)工程之一, 七方超過(guò)35個(gè)國(guó)家在法國(guó)南部參與建造了一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，它將驗(yàn)證如何將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使它受控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)。

　　鐘武律介紹，ITER裝置高30米，直徑28米，重達(dá)2萬(wàn)噸，目標(biāo)有3個(gè)：驗(yàn)證核反應(yīng)堆級(jí)別的裝置主機(jī)集成技術(shù);驗(yàn)證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行能力;實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)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(wàn)千瓦聚變反應(yīng)功率的可靠運(yùn)行。

　　
中國(guó)核聚變目標(biāo)更在ITER之外

　　隨著科技日新月異，未來(lái)在核聚變能開(kāi)發(fā)方面將不斷涌現(xiàn)技術(shù)革新，或可能出現(xiàn)顛覆性技術(shù)革命，比如隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，若采用高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)，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(jīng)濟(jì)性，且強(qiáng)磁場(chǎng)更利于聚變等離子體的高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

　　以ITER為標(biāo)志，磁約束核聚變研究正進(jìn)入反應(yīng)堆工程與實(shí)驗(yàn)階段。國(guó)際主要發(fā)展聚變能的國(guó)家以瞄準(zhǔn)未來(lái)設(shè)計(jì)建設(shè)本國(guó)聚變示范堆(DEMO)為目標(biāo)，重點(diǎn)開(kāi)展聚變實(shí)驗(yàn)堆設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并儲(chǔ)備相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與人才隊(duì)伍。

　　對(duì)中國(guó)而言，參加ITER計(jì)劃是我國(guó)磁約束核聚變能研發(fā)計(jì)劃中的關(guān)鍵一步，我國(guó)自主建造未來(lái)聚變堆仍面臨一系列關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)，需提前布局，一一攻克。

　　根據(jù)中國(guó)核聚變研究發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)制定了發(fā)展路線和目標(biāo)。2011年開(kāi)始的中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)設(shè)計(jì)研究，就是該路線的一個(gè)重要方面。

　　“縱觀國(guó)際聚變發(fā)展，受控核聚變有望于21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)和平利用?！辩娢渎烧f(shuō)，立足我國(guó)磁約束核聚變研究現(xiàn)狀，下一步我國(guó)核聚變的發(fā)展應(yīng)充分利用ITER的建設(shè)與運(yùn)行，重點(diǎn)進(jìn)行人才培養(yǎng)與技術(shù)儲(chǔ)備，瞄準(zhǔn)自主設(shè)計(jì)建造聚變堆，開(kāi)展ITER未涵蓋的未來(lái)聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。