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基本介紹

“國(guo)(guo)際熱核(he)(he)聚(ju)變實驗堆（ITER）計劃(hua)”是(shi)(shi)目前全球規模最(zui)大、影響最(zui)深遠的(de)(de)國(guo)(guo)際科研合(he)作項目之一(yi)，建造(zao)約(yue)需10年(nian)，耗資50億美元（1998年(nian)值(zhi)）。ITER裝置是(shi)(shi)一(yi)個能產生大規模核(he)(he)聚(ju)變反(fan)應的(de)(de)超導托(tuo)克馬克，俗稱“人造(zao)太陽”。2003年(nian)1月(yue)，國(guo)(guo)務(wu)院批(pi)準(zhun)我(wo)國(guo)(guo)參(can)加(jia)ITER計劃(hua)談判，2006年(nian)5月(yue)，經國(guo)(guo)務(wu)院批(pi)準(zhun)，中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)ITER談判聯合(he)小組代表我(wo)國(guo)(guo)政府與歐盟、印(yin)度(du)、日本、韓國(guo)(guo)、俄羅(luo)斯和(he)(he)美國(guo)(guo)共(gong)同草簽了(le)ITER計劃(hua)協(xie)定。這(zhe)七方包括了(le)全世界主要(yao)的(de)(de)核(he)(he)國(guo)(guo)家和(he)(he)主要(yao)的(de)(de)亞洲國(guo)(guo)家，覆蓋(gai)的(de)(de)人口(kou)接近全球一(yi)半。我(wo)國(guo)(guo)參(can)加(jia)ITER計劃(hua)是(shi)(shi)基于能源長遠的(de)(de)基本需求。2013年(nian)1月(yue)5日中(zhong)(zhong)科院合(he)肥物(wu)質研究(jiu)院宣布，“人造(zao)太陽”實驗裝置輔助(zhu)加(jia)熱工程的(de)(de)中(zhong)(zhong)性(xing)束注入系統在綜合(he)測試平臺上成功(gong)實現(xian)100秒長脈(mo)沖氫中(zhong)(zhong)性(xing)束引出。

建設沿革

由于聚變能的(de)(de)(de)研究不(bu)(bu)僅關系(xi)到解(jie)決人(ren)類能源問題，而且還涉及眾(zhong)多先進且非常敏感的(de)(de)(de)技術(shu)，因此，ITER計劃的(de)(de)(de)形成除與科(ke)(ke)學技術(shu)本(ben)身的(de)(de)(de)發展有關外(wai)，還始(shi)終(zhong)與主要大國在政治和外(wai)交方(fang)面的(de)(de)(de)考慮分不(bu)(bu)開(kai)。本(ben)文將主要從科(ke)(ke)學和技術(shu)角(jiao)度作一些(xie)分析和說明。

1985年，作為結束冷戰的(de)(de)標志性行(xing)動(dong)之(zhi)一(yi)，前(qian)蘇聯領導人(ren)戈爾巴喬夫和美國(guo)總統(tong)里根在日(ri)內瓦峰會(hui)上(shang)倡議，由美、蘇、歐(ou)、日(ri)共同啟動(dong)"國(guo)際熱核聚(ju)變(bian)(bian)實驗(yan)堆（ITER）"計劃。ITER計劃的(de)(de)目標是要(yao)建造一(yi)個可自持燃燒（即"點火"）的(de)(de)托可馬克核聚(ju)變(bian)(bian)實驗(yan)堆，以便對未(wei)來聚(ju)變(bian)(bian)示范堆及商用聚(ju)變(bian)(bian)堆的(de)(de)物(wu)理和工程問題做(zuo)深入探索。

該計(ji)(ji)劃(hua)僅(jin)確定由美、俄、歐(ou)(ou)、日四方(fang)參加(jia)，獨立(li)于(yu)(yu)聯合(he)國(guo)(guo)原(yuan)子能委員(yuan)會（IAEA）之外，總部(bu)分(fen)設美、日、歐(ou)(ou)三(san)處。由于(yu)(yu)當(dang)時的(de)科(ke)學和(he)技術條件(jian)還(huan)不成(cheng)熟(shu)，四方(fang)科(ke)技人員(yuan)于(yu)(yu)1996年(nian)提出(chu)的(de)ITER初步設計(ji)(ji)很不合(he)理，要(yao)求投資上百億美元。1998年(nian)，美國(guo)(guo)出(chu)于(yu)(yu)政治原(yuan)因及(ji)國(guo)(guo)內紛(fen)爭，以加(jia)強基礎研究為(wei)名，宣布退出(chu)ITER計(ji)(ji)劃(hua)。歐(ou)(ou)、日、俄三(san)方(fang)則繼續堅持合(he)作，并基于(yu)(yu)上世紀(ji)90年(nian)代核(he)聚變研究及(ji)其他高(gao)新技術的(de)新發展，大幅度修(xiu)改實驗堆(dui)的(de)設計(ji)(ji)。2001年(nian)，歐(ou)(ou)、日、俄聯合(he)工(gong)作組完(wan)成(cheng)了ITER裝(zhuang)置新的(de)工(gong)程設計(ji)(ji)（EDA）及(ji)主要(yao)部(bu)件(jian)的(de)研制，預計(ji)(ji)建(jian)造費用為(wei)50億美元（1998年(nian)價），建(jian)造期8至10年(nian)，運行期20年(nian)。其后，三(san)方(fang)分(fen)別組織(zhi)了獨立(li)的(de)審查(cha)，都認為(wei)設計(ji)(ji)合(he)理，基本(ben)上可以接受(shou)。

2002年(nian)，歐、日、俄(e)三方(fang)以(yi)EDA為基礎開始協(xie)商(shang)ITER計劃的(de)國(guo)(guo)際(ji)(ji)協(xie)議(yi)及相應(ying)國(guo)(guo)際(ji)(ji)組織的(de)建立，并表示歡迎中(zhong)國(guo)(guo)與美國(guo)(guo)參加(jia)(jia)ITER計劃。中(zhong)國(guo)(guo)于(yu)2003年(nian)1月初正(zheng)式宣布(bu)參加(jia)(jia)協(xie)商(shang)，其后美國(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)(zai)1月末(mo)由布(bu)什總(zong)統(tong)特別宣布(bu)重新參加(jia)(jia)ITER計劃，韓國(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)(zai)2005年(nian)被(bei)接受參加(jia)(jia)ITER計劃協(xie)商(shang)。以(yi)上六方(fang)于(yu)2005年(nian)6月簽(qian)訂協(xie)議(yi)，一(yi)(yi)致同意把ITER建在(zai)(zai)(zai)(zai)法(fa)國(guo)(guo)核技術研究中(zhong)心Cadarache，從(cong)而結束了激烈的(de)"選(xuan)址大戰"。印度于(yu)2006年(nian)加(jia)(jia)入ITER協(xie)商(shang)。七個成(cheng)員國(guo)(guo)政府(fu)于(yu)2006年(nian)5月25日草(cao)簽(qian)了建設ITER的(de)國(guo)(guo)際(ji)(ji)協(xie)定。目前國(guo)(guo)際(ji)(ji)組織正(zheng)在(zai)(zai)(zai)(zai)組建，總(zong)干事和(he)副總(zong)干事人選(xuan)已(yi)確定。還有一(yi)(yi)些國(guo)(guo)家(jia)也正(zheng)在(zai)(zai)(zai)(zai)考慮參加(jia)(jia)ITER計劃。

在ITER建設總投(tou)資的(de)50億美元（1998年(nian)值(zhi)）中(zhong)，歐盟貢獻46%，美、日、俄、中(zhong)、韓、印(yin)各貢獻約(yue)(yue)9%。根據協(xie)議(yi)，中(zhong)國貢獻中(zhong)的(de)70%以上由我(wo)國制造所(suo)(suo)約(yue)(yue)定的(de)ITER部件折算(suan)，10%由我(wo)國派(pai)出所(suo)(suo)需(xu)合格人員折算(suan)，需(xu)支付(fu)國際組織(zhi)的(de)外匯不(bu)到20%。

作為聚變能(neng)實驗(yan)堆，ITER要把上(shang)(shang)億度、由氘(dao)氚組(zu)成(cheng)的(de)(de)高溫(wen)等(deng)離(li)子體約束(shu)在體積(ji)達837立方米的(de)(de)"磁籠"中，產生(sheng)(sheng)50萬千(qian)瓦的(de)(de)聚變功率(lv)，持續時(shi)間達500秒(miao)。50萬千(qian)瓦熱功率(lv)已經相當于一(yi)個(ge)小型熱電站的(de)(de)水平(ping)。這將是人類(lei)第一(yi)次(ci)在地球(qiu)上(shang)(shang)獲(huo)得持續的(de)(de)、有大量核(he)聚變反應的(de)(de)高溫(wen)等(deng)離(li)子體，產生(sheng)(sheng)接近電站規模(mo)的(de)(de)受控聚變能(neng)。

在(zai)ITER上(shang)開(kai)展的(de)研究(jiu)工(gong)作將(jiang)揭示(shi)這種帶(dai)有氘氚核聚(ju)變(bian)反應(ying)的(de)高溫等(deng)離子體的(de)特性，探索它的(de)約束(shu)、加熱和能(neng)(neng)量損失機制，等(deng)離子體邊界的(de)行(xing)為以及(ji)的(de)控(kong)制條件(jian)，從而(er)為今后建設(she)商(shang)用的(de)核聚(ju)變(bian)反應(ying)堆奠定(ding)堅實(shi)的(de)科學(xue)基(ji)礎。對ITER裝置工(gong)程整體及(ji)各部件(jian)在(zai)50萬千瓦聚(ju)變(bian)功率長時(shi)間持續(xu)過(guo)程中產(chan)生的(de)變(bian)化及(ji)可(ke)能(neng)(neng)出(chu)現問題的(de)研究(jiu)，不僅將(jiang)驗證受控(kong)熱核聚(ju)變(bian)能(neng)(neng)的(de)工(gong)程可(ke)行(xing)性，而(er)且還(huan)將(jiang)對今后如(ru)何設(she)計和建造聚(ju)變(bian)反應(ying)堆提供(gong)必不可(ke)少的(de)信息。

ITER的建(jian)設(she)、運行和(he)實(shi)(shi)驗(yan)研究是人(ren)類發(fa)展聚變能的必要一步，有可能直接決定真正聚變示范電(dian)站（DEMO）的設(she)計和(he)建(jian)設(she)，并進而促進商用聚變電(dian)站的更快實(shi)(shi)現。

ITER裝置(zhi)是一個能產(chan)(chan)生大規模核聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)反應(ying)的超導托(tuo)克馬克。其裝置(zhi)中(zhong)(zhong)心是高溫氘氚等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)體(ti)環(huan)，其中(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)15兆安的等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)體(ti)電流(liu)，核聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)反應(ying)功率達50萬千瓦，每(mei)秒釋放多達1020個高能中(zhong)(zhong)子(zi)。等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)體(ti)環(huan)在(zai)屏蔽包層的環(huan)型包套中(zhong)(zhong)，屏蔽包層將吸收50萬千瓦熱(re)功率及核聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)反應(ying)所產(chan)(chan)生的所有中(zhong)(zhong)子(zi)。

在包層外是(shi)巨大的環形真(zhen)空(kong)室。在下側有偏慮器(qi)與真(zhen)空(kong)室相連，可排(pai)出核(he)反應后的廢氣(qi)。真(zhen)空(kong)室穿在16個大型超導環向場線圈(quan)（即縱(zong)場線圈(quan)）中。

環向超(chao)導磁體將產(chan)生5.3特斯拉的(de)環向強磁場，是(shi)裝置的(de)關鍵部(bu)件之一(yi)，價值超(chao)過(guo)12億美元。

穿過環的中心(xin)是(shi)一個巨(ju)大的超導(dao)線(xian)(xian)圈筒（中心(xin)螺管(guan)），在環向場(chang)線(xian)(xian)圈外(wai)側還布(bu)有六個大型環向超導(dao)線(xian)(xian)圈，即極(ji)向場(chang)線(xian)(xian)圈。中心(xin)螺管(guan)和極(ji)向場(chang)線(xian)(xian)圈的作用是(shi)產生等離子(zi)體電流和控制等離子(zi)體位(wei)形(xing)。

上(shang)述(shu)系統整個(ge)被罩于一個(ge)大杜瓦(wa)(wa)(wa)中(zhong)，坐落于底座上(shang)，構成實驗堆本(ben)體(ti)(ti)。在本(ben)體(ti)(ti)外分布4個(ge)10兆瓦(wa)(wa)(wa)的強流粒子加速器，10兆瓦(wa)(wa)(wa)的穩態(tai)毫米電(dian)磁波系統，20兆瓦(wa)(wa)(wa)的射頻波系統及數十種先進的等離子體(ti)(ti)診斷測量系統。

整個體系(xi)還(huan)包括：大型(xing)(xing)(xing)供電系(xi)統、大型(xing)(xing)(xing)氚工(gong)廠、大型(xing)(xing)(xing)供水（包括去離子水）系(xi)統、大型(xing)(xing)(xing)高真空系(xi)統、大型(xing)(xing)(xing)液(ye)氮、液(ye)氦低溫系(xi)統等。

ITER本體內所(suo)有可能的(de)調整和(he)維修都是通過遠程(cheng)控制的(de)機器人或機器手完(wan)成(cheng)。

ITER裝(zhuang)置不僅反映了國際聚變(bian)能研究的新成果，而(er)且(qie)綜(zong)合(he)了當今世界(jie)各領域的一(yi)些頂尖技(ji)(ji)術(shu)，如(ru)：大型超導磁體技(ji)(ji)術(shu)，中能高流強加速器(qi)技(ji)(ji)術(shu)，連(lian)續、大功率毫米波技(ji)(ji)術(shu)，復雜(za)的遠(yuan)程控制技(ji)(ji)術(shu)等等。

2013年9月25日（北京時間）消息，勞倫斯·利弗莫(mo)爾國(guo)家(jia)實驗室報告稱(cheng)(cheng)，世界大激光器、被稱(cheng)(cheng)為(wei)“人造太(tai)陽”的美(mei)國(guo)國(guo)家(jia)點火(huo)裝置（NIF）正距離其目(mu)標越來越近，顯示了(le)一個可(ke)持續核聚變反應(ying)裝置正在由夢想逐(zhu)步成為(wei)現(xian)實。不(bu)過(guo)在設施達到高(gao)度(du)穩定前，目(mu)前仍有一個顯著(zhu)障礙有待克服(fu)。