國際熱核實驗反應堆（ITER）項目是一項大規(guī)模實驗，旨在證明聚變作為新能源的科學技術可行性，并為其工業(yè)化開發(fā)鋪平道路。該組織宣布，到 2020 年底，該項目的 70% 以上已經完成，用于首次等離子操作。

下一個重大步驟將是在 2025 年，屆時預計將產生第一個過熱等離子體，然后在 2035 年達到全功率，以證明有可能產生比目前使用的更多的能量。過程。

該項目源于2006 年由七個合作伙伴簽署的ITER協(xié)議：中國、歐洲、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。他們共同管理 ITER 組織，該組織負責協(xié)調項目，并匯集財政和科學資源。Fusion for Energy（F4E）是歐盟組織，負責歐洲對ITER的貢獻和聚變能的發(fā)展。

F4E 的項目經理 Ferran Albajar 解釋說，該項目將使科學家能夠研究一種“燃燒等離子體”，該等離子體將提供比現在使用的更高的聚變功率輸出（500 MW）和更長的時間（約 7 分鐘）。 16 MW 和幾秒鐘）。同樣重要的是，它將使工程師能夠為未來的聚變工廠驗證技術。

ITER 基于托卡馬克的概念，其中高磁場將氫同位素限制在容器中，通過高溫轉化為等離子體。

聚變能

化石燃料、核能和可再生能源都是我們熟悉和利用的所有類型的能源。鑒于我們雄心勃勃的氣候變化目標，歐盟和世界其他地區(qū)必須將注意力轉向更清潔的能源，以實現綠色轉型。另一方面，僅投資于可再生能源可能不足以確保經濟可靠和安全的能源供應。

推動恒星的能量稱為聚變。我們的太陽是一個巨大的聚變裝置——我們太陽系中最大的。氫原子在太陽核心中以驚人的速度運動。氫原子結合形成一個較重的氦原子。這個過程會以光和熱的形式釋放大量能量。

“我們需要兩種氫同位素來產生聚變反應：氘和氚；然而，因為它們在等離子體中的原子核都帶正電，所以它們相互排斥，”Albajar 解釋說?！坝捎谔柕木薮笠?，氫原子在 1500 萬攝氏度的溫度下點燃。然而，由于地球上的引力較小，它們必須被加熱到高達 1.5 億攝氏度的溫度才能碰撞和融合?！?/p>

氘是一種可能存在于海水中的礦物質。“我們有資源可以繼續(xù)運行數百萬年，”Albajar 補充道?！皬牡貧ぶ惺占匿嚳捎糜谥圃祀??！?/p>

從 500 升水中提取的部分足以滿足普通公民一生的能源需求。在那之后，水仍然可以飲用。氫同位素融合的結果是用于氣球的氦氣。

通過無數次測試，幾十年來，科學家們一直試圖弄清楚如何創(chuàng)造這種能量。盡管這個概念是基本的，但他們遇到了許多障礙。氫原子在 100 萬攝氏度時粉碎，產生等離子體，一種“帶電氣體”。

他們提出了托卡馬克的概念，這是一個包含使用高磁場的熱等離子體的腔室。這就是它們如何產生等離子體，即物質的第四種狀態(tài)。

ITER項目

托卡馬克的甜甜圈形真空室是它跳動的心臟。在內部，由于強烈的熱量，氣態(tài)氫燃料轉化為等離子體——一種帶電的熱氣體。等離子體提供了輕元素可以結合并提供能量的環(huán)境，無論是在恒星中還是在聚變裝置中。

等離子體中的帶電粒子由超強磁線圈成形，科學家們利用磁線圈使加熱的等離子體遠離結構的壁，并且密度足以使粒子融合。為了開始操作，真空室中的空氣和雜質被排空。然后將輔助、容納和調節(jié)等離子體的磁體系統(tǒng)充電，然后引入氣體燃料。當高電流通過容器時，氣體會發(fā)生電分解，變得電離（電子從原子核中移除）并產生等離子體。

等離子粒子在充電和碰撞時開始升溫。當前的技術可以達到聚變溫度（1.5 億至 3 億攝氏度）。當粒子被“激發(fā)”時，它們會發(fā)生碰撞，克服它們固有的電磁排斥和融合。聚變會釋放出巨大的能量。

ITER 將成為世界上最大的托卡馬克，其等離子體室容積是目前運行中的最大機器的 10 倍。

ITER 基地的建設工作于 2007 年在法國南部的卡達拉什開始，占地 42 公頃，現在安置托卡馬克裝置，正在組裝各種建筑物、基礎設施和發(fā)電廠。ITER 是最復雜的工程項目之一，將需要數百萬個組件來組裝這個重達 23,000 噸的巨型反應堆。

為了從磁約束等離子體產生聚變能并最終產生電能，我們需要將燃料（氫同位素）加熱到約 1.5 億攝氏度，并保持其熱度、清潔和形狀，以便保持聚變反應并安全產生熱量消散。“為了實現這一目標，在超導磁體、低溫學、材料、真空、診斷、控制和等離子體加熱等領域需要一系列令人印象深刻的最先進技術，”他說。

ITER 將使用超導磁體來限制等離子體（環(huán)形場線圈）并保持其形狀和穩(wěn)定性（極向場線圈）。他們將建造一個磁籠，使熱等離子體遠離機器的容器。在68,000 A的驅動下，磁場可能達到11.8特斯拉，幾乎是地球磁場的250,000倍。每塊磁鐵大小為17×9米，重320噸，相當于一架空客A350。

“加熱和供電系統(tǒng)將在不同設備需要時整體或局部提高超熱等離子體的功率，”Albajar 說?！半娮踊匦铀倨?[EC] 電源系統(tǒng)就是其中之一，如下所述?！?/p>

其他重要部件包括真空容器，它將是一個雙壁容器，用于在真空中容納聚變反應；低溫系統(tǒng)，將冷卻磁鐵并達到理想的真空條件；遠程處理系統(tǒng)將使用復雜的人在回路機器人技術和虛擬現實進行操作，以提供對 ITER 設備內部組件的維護、檢查和更換，以及將監(jiān)測托卡馬克等離子體性能的診斷系統(tǒng)。

電子回旋加速器是等離子體加熱系統(tǒng)之一?！皻W洲與在電力電子領域有著悠久傳統(tǒng)的瑞士制造商 Ampegon 合作，已經交付了四臺額定功率為 6 MW 的電源，這些電源將用于點亮第一臺 ITER 等離子體，”Albajar 說?！霸摴驹?a target="_blank">射頻放大器方面擁有良好的業(yè)績記錄，已成功轉讓其在高壓和大電流電力系統(tǒng)方面的專業(yè)知識?！?/p>

EC 可視為大型微波爐。它從電網獲取電力并將其轉換為受控電壓，然后再將其饋送到射頻源（稱為回旋管），從而產生加熱 ITER 等離子體的固體電磁波。從理論上講，這看起來很簡單，但有一個問題：電壓必須很高（額定值為 55 kV）、穩(wěn)定且能夠快速變化。“為了保護 ITER 上的 EC 組件，它們必須在 10 μs 內關閉，”Albajar 說。“歐洲負責提供神奇的‘火柴’，點亮世界上最大的等離子屏幕。運行八個高壓主電源所需的能量相當于運行一所住宅所需的能量?！?/p>

與此同時，Ampegon 還提前交付了用于 EC 和離子回旋加熱系統(tǒng)的開關設備，這些設備將從電網輸送電力，為射頻系統(tǒng)供電。“設備正在儲存中，在接下來的幾年里，它將在 ITER 中安裝和調試，”他補充道。

中性光束是另一個主要的等離子加熱系統(tǒng)?！霸?ITER 中，中性射束注入器將在等離子體核心注入高能粒子，以壓碎現有的等離子體并提高其溫度，”Albajar 說。此外，粒子將以 1 MV 加速，然后被中和以通過限制等離子體的磁場。

融合技術

從早期的科學論證到實現長聚變等離子體持續(xù)時間或接近等離子體收支平衡（當等離子體釋放至少與加熱它們所需的能量一樣多時），近幾十年來磁約束聚變的發(fā)展進展令人印象深刻。然而，在地球上發(fā)生聚變的條件，以及獲得持續(xù)的正能量增益，仍然極其難以實現。

“需要世界各地各方的許多技術突破才能建造 ITER；將需要其他人來建造 DEMO [示范發(fā)電廠，由歐洲聯(lián)盟 EUROfusion 設計的原型聚變反應堆]，”Albajar 說。從另一個角度來看，國際合作是收集大型復雜實驗項目科學技術知識的關鍵。這些主要由公共資金資助的項目也受到發(fā)展新清潔能源和應對氣候變化的政治意愿的制約。. Albajar 說：“不應忘記，已經建立了幾項私人計劃來探索聚變能的潛力?！?“ITER在很大程度上為將聚變能置于聚光燈下提供了一定的動力。此外，參與生產聚變組件的公司和實驗室看到了他們的參與帶來的切實好處。

“就整體進展而言，我們已經完成了第一次等離子操作所需的 72.1% 和超過第一次等離子操作所需的 57.7%，”他補充道?！霸诮ㄖ突A設施方面，我們在各個方面都取得了進展。ITER 裝置所在的托卡馬克大樓已經開始接收第一批組件。ITER 裝置的組裝于去年正式開始，并且正在進行中。歐洲的設備在現場持續(xù)交付。例如，10個TF線圈中的第5個已經到貨，機器上安裝了兩個歐洲制造的極向場線圈，低溫裝置已經通過了壓力測試，即將開始調試。就大局而言，我們的計劃是證明聚變能是一種替代能源，

如果 ITER 項目實現其目標，DEMO 將是 ITER 實驗反應堆的理想繼承者，應該會發(fā)電。從 ITER 到 DEMO 意味著將機器連接到電網并產生 300-MW 至 500-MW 的凈電力。雖然 ITER 必須證明可以從等離子體中獲得比消耗更多的能量，但 DEMO 必須證明聚變發(fā)電。

審核編輯 黃昊宇