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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(nan)部(bu)(bu)卡達拉舍，國際熱核聚變實驗(yan)堆（ITER）托卡馬克裝(zhuang)置杜瓦下部(bu)(bu)筒(tong)體吊裝(zhuang)工作圓滿完(wan)成。這是ITER計(ji)劃(hua)重大工程安(an)裝(zhuang)啟(qi)動儀式后的第一個重大部(bu)(bu)件安(an)裝(zhuang)。

此次(ci)吊裝(zhuang)(zhuang)精度和(he)(he)形變控制要求極高(gao)，杜瓦下部筒(tong)體直徑30米(mi)，高(gao)10米(mi)，重(zhong)量約400噸，尺(chi)寸大約占ITER托卡馬克裝(zhuang)(zhuang)置的(de)三分之一。中(zhong)(zhong)核集團牽(qian)頭的(de)中(zhong)(zhong)法聯合體技術團隊承擔此次(ci)吊裝(zhuang)(zhuang)工作，在(zai)與(yu)業主反(fan)復進(jin)行(xing)計算確認，對吊具的(de)尺(chi)寸、現場吊裝(zhuang)(zhuang)路徑以(yi)及用于就位調(diao)整的(de)工具進(jin)行(xing)反(fan)復模擬后，在(zai)理(li)論(lun)上確保(bao)了(le)吊裝(zhuang)(zhuang)安裝(zhuang)(zhuang)工作的(de)安全(quan)，并在(zai)正(zheng)式吊裝(zhuang)(zhuang)前多次(ci)組織(zhi)吊裝(zhuang)(zhuang)方案推演并進(jin)行(xing)吊裝(zhuang)(zhuang)試驗(yan)，確保(bao)調(diao)整工具和(he)(he)支撐工具狀(zhuang)態安全(quan)可用。

ITER計劃模仿的是太(tai)陽產生(sheng)能量的過程——將氫同位素聚合成氦(hai)，釋放(fang)出取之不(bu)竭的熱核聚變能源。正因如此，它(ta)被形象(xiang)地稱(cheng)為(wei)“人造太(tai)陽”計劃。

太陽通過熱核聚變產生能量

中(zhong)核(he)(he)(he)集團核(he)(he)(he)工業西南物理研(yan)究院(yuan)聚變(bian)科(ke)學所副所長鐘武律介紹，由于(yu)核(he)(he)(he)反應過(guo)程中(zhong)總質量發生虧損，按照愛因(yin)斯坦(tan)的(de)(de)質能(neng)方程E=mc2，核(he)(he)(he)反應中(zhong)相應地(di)會釋放出巨(ju)大的(de)(de)能(neng)量。核(he)(he)(he)反應可分(fen)為核(he)(he)(he)裂變(bian)和核(he)(he)(he)聚變(bian)。核(he)(he)(he)裂變(bian)是(shi)指由較(jiao)(jiao)重(zhong)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子核(he)(he)(he)分(fen)裂為較(jiao)(jiao)輕的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子核(he)(he)(he)，而核(he)(he)(he)聚變(bian)則是(shi)將較(jiao)(jiao)輕的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子核(he)(he)(he)聚合為較(jiao)(jiao)重(zhong)的(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子核(he)(he)(he)。

核聚(ju)變(bian)是(shi)宇宙(zhou)的(de)能源，太(tai)陽(yang)及恒星之(zhi)所以發(fa)(fa)光(guang)發(fa)(fa)熱，正是(shi)因(yin)為(wei)其(qi)內部持續不斷(duan)地進行著輕核間的(de)核聚(ju)變(bian)反應。

由于(yu)自身質量(liang)巨大(da)，在強大(da)的(de)引力(li)下，太陽(yang)會(hui)不斷擠(ji)壓其(qi)內(nei)(nei)部的(de)氫原(yuan)子(zi)核，使得內(nei)(nei)部的(de)壓力(li)和溫度變(bian)(bian)得極高，氫原(yuan)子(zi)核間不斷相(xiang)互碰(peng)撞，形成(cheng)了(le)可以產(chan)生(sheng)核聚(ju)變(bian)(bian)反(fan)應的(de)高溫高密(mi)度條件，從(cong)而發(fa)生(sheng)核聚(ju)變(bian)(bian)釋放巨大(da)能(neng)量(liang)。太陽(yang)核心(xin)溫度超過(guo)1500萬攝(she)氏度，在這種(zhong)極高溫條件下進行(xing)的(de)核聚(ju)變(bian)(bian)反(fan)應也被稱為(wei)熱核聚(ju)變(bian)(bian)。

熱(re)核(he)(he)(he)聚變(bian)反(fan)應是氫彈爆炸(zha)(zha)的(de)基礎(chu)。氫彈的(de)爆炸(zha)(zha)依賴原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈來引爆，可在(zai)瞬間產生巨大(da)能(neng)(neng)量。在(zai)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)彈爆炸(zha)(zha)產生的(de)高溫下，燃料的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)將全部(bu)電(dian)離(li)成離(li)子(zi)(zi)（原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)核(he)(he)(he)）和電(dian)子(zi)(zi)，它(ta)們組成的(de)集合(he)體(ti)即(ji)為(wei)等離(li)子(zi)(zi)體(ti)。但氫彈爆炸(zha)(zha)是不可控(kong)的(de)熱(re)核(he)(he)(he)聚變(bian)反(fan)應，不能(neng)(neng)作(zuo)為(wei)提供(gong)(gong)能(neng)(neng)源的(de)手段(duan)。于是人(ren)類便致力于在(zai)地(di)球上實現人(ren)工控(kong)制下的(de)核(he)(he)(he)聚變(bian)反(fan)應即(ji)受控(kong)核(he)(he)(he)聚變(bian)，希(xi)望利用太陽發光(guang)發熱(re)的(de)原(yuan)(yuan)理，為(wei)人(ren)類提供(gong)(gong)源源不斷的(de)能(neng)(neng)源。

熱核聚變發生有三個苛刻條件

在所有核聚(ju)(ju)變(bian)反(fan)應(ying)中，氫的(de)(de)(de)(de)同位素——氘和氚的(de)(de)(de)(de)核聚(ju)(ju)變(bian)反(fan)應(ying)是相對容易實現的(de)(de)(de)(de)。因此人類至今探索研究的(de)(de)(de)(de)受控核聚(ju)(ju)變(bian)主要(yao)是基于氘氚聚(ju)(ju)變(bian)燃(ran)料的(de)(de)(de)(de)核聚(ju)(ju)變(bian)。

鐘武律(lv)說(shuo)，實現可(ke)(ke)控(kong)核聚(ju)變(bian)反(fan)應，要(yao)求(qiu)在人工控(kong)制條(tiao)件下等離子(zi)體的離子(zi)溫度、密(mi)度與能量(liang)約束(shu)時間“三乘積”必須達到一定值。換句話說(shuo)，只有(you)核聚(ju)變(bian)反(fan)應釋(shi)放出(chu)足(zu)夠(gou)多的能量(liang)，才(cai)可(ke)(ke)維持核聚(ju)變(bian)反(fan)應堆的運轉并(bing)有(you)可(ke)(ke)觀的能量(liang)輸(shu)出(chu)，使聚(ju)變(bian)反(fan)應循環進(jin)行。

但要在地球上模擬太陽產生能(neng)量的(de)熱核(he)聚變(bian)(bian)過程(cheng)，面臨著眾多(duo)難題(ti)。熱核(he)聚變(bian)(bian)發(fa)生的(de)條(tiao)件非(fei)常苛刻，第一是高溫(wen)條(tiao)件，原(yuan)子核(he)必須具備足(zu)夠高的(de)動能(neng)（如溫(wen)度(du)達(da)到上億(yi)攝氏度(du)），才能(neng)克服原(yuan)子核(he)間(jian)的(de)庫侖(lun)排(pai)斥力，使它們(men)相互靠得足(zu)夠近，以便(bian)讓短程(cheng)核(he)間(jian)吸引力

發(fa)揮主(zhu)要作用(yong)；第二是等離(li)子(zi)體高密(mi)(mi)度條(tiao)件(jian)(jian)，氘氚原子(zi)核的(de)密(mi)(mi)度足夠高，可(ke)以(yi)提高原子(zi)核之間(jian)的(de)碰(peng)撞進而發(fa)生核聚(ju)(ju)變(bian)反應的(de)幾(ji)率；第三是長能(neng)量約束(shu)時間(jian)，將高溫高密(mi)(mi)度的(de)核反應條(tiao)件(jian)(jian)維(wei)持足夠長的(de)時間(jian)，才能(neng)使核聚(ju)(ju)變(bian)反應得以(yi)持續(xu)進行。

聚全球之力共解磁約束核聚變難題

不(bu)僅發生核(he)聚(ju)變(bian)的條件苛刻，而且開發聚(ju)變(bian)能(neng)還(huan)面(mian)臨一(yi)系(xi)列科學與(yu)技(ji)術挑(tiao)戰(zhan)。比如，氘氚(chuan)原子核(he)在溫度超過上億攝氏度后更(geng)容易發生聚(ju)變(bian)反應(ying)，極(ji)端高溫下的等離(li)子體無法(fa)用普通固體容器來盛(sheng)裝，為此科學家們(men)提出用強磁場的方式(shi)將(jiang)其“包裹(guo)”起來。

在國(guo)際上，利(li)用強磁(ci)場來約束(shu)高溫等離子體的(de)(de)磁(ci)約束(shu)核聚變研(yan)究始于20世紀(ji)50年代，經歷了從(cong)快箍縮、磁(ci)鏡、仿星(xing)器到托卡馬(ma)克等不(bu)同(tong)磁(ci)約束(shu)技術路(lu)線的(de)(de)探索。從(cong)20世紀(ji)70年代開(kai)始，托卡馬(ma)克途徑逐(zhu)漸顯示出其獨特的(de)(de)優點，成為(wei)國(guo)際聚變能研(yan)究的(de)(de)主流途徑。

但(dan)要(yao)利用托卡馬克(ke)裝置實現對熱核(he)聚變(bian)的(de)控制，在(zai)關鍵(jian)技術上仍存在(zai)很(hen)大挑戰(zhan), 需凝聚全世界之(zhi)力共同攻克(ke)。1985年美(mei)蘇首腦提(ti)出了ITER計劃，其目的(de)就(jiu)是希(xi)望通過國際聚變(bian)界的(de)共同努(nu)力，集當今(jin)磁約(yue)束受控核(he)聚變(bian)研(yan)究領域(yu)的(de)主要(yao)科學和(he)(he)技術成果，建(jian)造一座熱核(he)聚變(bian)反應堆(dui)，以驗證核(he)聚變(bian)能和(he)(he)平利用的(de)科學和(he)(he)工程技術可行性。

2006年，中國(guo)(guo)、歐盟(meng)、美國(guo)(guo)、俄羅斯、日本、韓國(guo)(guo)和印(yin)度共七方簽署(shu)了啟動(dong)ITER項目的(de)協定。該計劃是(shi)目前全球規模最大(da)、影響最深遠的(de)國(guo)(guo)際大(da)科學工程之一(yi), 七方超(chao)過35個(ge)國(guo)(guo)家(jia)在法國(guo)(guo)南部參與建造了一(yi)個(ge)能產(chan)生(sheng)大(da)規模核聚變反應的(de)超(chao)導托(tuo)卡馬克裝置(zhi)，它(ta)將驗證如何將足(zu)夠多的(de)燃料在極端高溫條件下約束足(zu)夠長的(de)時間，使它(ta)受控(kong)制地發(fa)生(sheng)核聚變反應。

鐘(zhong)武律介紹，ITER裝置高30米，直徑28米，重達2萬噸，目(mu)標(biao)有3個：驗證(zheng)核反(fan)應堆級別(bie)的(de)裝置主(zhu)機集(ji)成技術；驗證(zheng)裝置的(de)穩定運(yun)行(xing)能(neng)力(li)；實現聚(ju)變反(fan)應的(de)輸(shu)出功(gong)(gong)率至少(shao)10倍于輸(shu)入功(gong)(gong)率（即聚(ju)變功(gong)(gong)率增益因子(zi)Q要(yao)大于10），演示50萬千瓦(wa)聚(ju)變反(fan)應功(gong)(gong)率的(de)可靠運(yun)行(xing)。

中國核聚變目標更在ITER之外

隨(sui)著(zhu)科技(ji)(ji)日(ri)新(xin)月異(yi)，未來(lai)在核聚(ju)變(bian)能開發(fa)方面將不斷涌現(xian)技(ji)(ji)術革新(xin)，或可能出現(xian)顛覆性(xing)技(ji)(ji)術革命，比(bi)如隨(sui)著(zhu)高(gao)溫(wen)超導(dao)技(ji)(ji)術的(de)發(fa)展，若采用高(gao)溫(wen)超導(dao)強(qiang)磁場技(ji)(ji)術，可獲(huo)得高(gao)的(de)聚(ju)變(bian)功率(lv)密度，可減小裝(zhuang)置的(de)尺寸，提高(gao)聚(ju)變(bian)堆的(de)經濟性(xing)，且強(qiang)磁場更利于聚(ju)變(bian)等離子體(ti)的(de)高(gao)性(xing)能穩態運行。

以(yi)ITER為標志，磁約束核(he)聚(ju)變(bian)研(yan)究正進入反應堆(dui)工程與(yu)實驗(yan)(yan)階(jie)段。國際主要發(fa)展(zhan)聚(ju)變(bian)能的國家以(yi)瞄準(zhun)未來設(she)計建設(she)本國聚(ju)變(bian)示范堆(dui)（DEMO）為目標，重(zhong)點開展(zhan)聚(ju)變(bian)實驗(yan)(yan)堆(dui)設(she)計及關鍵(jian)技術攻(gong)關，并儲(chu)備相關經驗(yan)(yan)與(yu)人才隊(dui)伍(wu)。

對中國(guo)而(er)言(yan)，參(can)加(jia)ITER計(ji)劃是我(wo)國(guo)磁約束核聚變能(neng)研(yan)發(fa)計(ji)劃中的關(guan)鍵一步，我(wo)國(guo)自主建造(zao)未來聚變堆仍面(mian)臨(lin)一系列關(guan)鍵科學與(yu)技術挑戰，需提前布局，一一攻克。

根(gen)據中國(guo)核聚變(bian)研(yan)究(jiu)(jiu)發(fa)展現(xian)狀，我(wo)國(guo)制定了(le)發(fa)展路線(xian)和(he)目標。2011年開始的中國(guo)聚變(bian)工程試驗堆（CFETR）設計研(yan)究(jiu)(jiu)，就是(shi)該路線(xian)的一(yi)個重要方(fang)面。

“縱觀國際聚(ju)(ju)變發展(zhan)，受控核聚(ju)(ju)變有望于21世紀中(zhong)葉實現和平利(li)用。”鐘武律說(shuo)，立足我(wo)國磁約束核聚(ju)(ju)變研究現狀，下一步我(wo)國核聚(ju)(ju)變的(de)發展(zhan)應充分利(li)用ITER的(de)建設與(yu)運行，重點進行人才培養與(yu)技術(shu)儲(chu)備，瞄準自主設計建造聚(ju)(ju)變堆(dui)，開(kai)展(zhan)ITER未涵蓋的(de)未來聚(ju)(ju)變堆(dui)關鍵(jian)技術(shu)攻關。

【責任編輯：趙(zhao)藝涵】