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澎湃新聞特約撰稿 | 張恒

最近有條新聞刷爆了朋友圈，“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程安裝啟動儀式7月28日在法國該組織總部舉行，國家主席習近平致賀信。”

那么，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃到底是何方神圣？

與此同時，一系列的伴隨性問題也冒出來了，比如：什么是核聚變，什么是熱核聚變，什么是受控核聚變，什么是托卡馬克裝置？

在介紹ITER計劃之前，大致了解核聚變研究和及其歷程是有必要的。

首先，按照定義：核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量。因為化學是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組、結構與變化規(guī)律的科學，而核聚變是發(fā)生在原子核層面上的，所以核聚變不屬于化學變化。

值得一提的是，在此過程中，物質(zhì)沒有守恒，因為有一部分正在聚變的原子核的物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為光子（能量）。

這一過程遵循愛因斯坦質(zhì)能方程，正因為核聚變帶來的巨大能量，核聚變是給活躍的或“主序的”恒星提供能量的過程。

那么核聚變是怎么發(fā)生的呢？

簡單來說，兩個輕核在因都帶正電荷而彼此排斥，然而當這兩個輕核的能量足夠高，且迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，從而能夠克服庫侖斥力而發(fā)生核聚變反應。

圖1 核聚變示意圖

提一句，大家聽得最多的核聚變通常是熱核聚變，實際上與之對應的還有冷核聚變。

冷核聚變是指在接近常溫常壓和相對簡單的設備條件下發(fā)生核聚變反應。

冷核聚變雖然提出多年，但卻一種備受質(zhì)疑，篇幅所限，本文主要關注熱核聚變。

前文提到，核聚變是給活躍的或“主序的”恒星提供能量的過程，實際上熱核聚變是宇宙中一種普遍的能量形式，比如，太陽就是一個巨大的熱核聚變反應爐。

這也正是為何我們的受控核聚變研究被通俗的稱為“人造太陽”的緣故。

正如很多先進技術的發(fā)展，比如互聯(lián)網(wǎng)一樣，人工核聚變技術同樣始于軍事技術研發(fā)，它就是大名鼎鼎的氫彈。

簡單梳理一下熱核聚變研究的時間軸：

1920年，亞瑟·愛丁頓提出氫氦聚變可能是恒星能量的主要來源。

1932年，在盧瑟福的核嬗變實驗基礎上，馬克·奧利芬特完成了氫同位素的實驗室聚變。

1930年代，漢斯·貝特提出了恒星核聚變主循環(huán)的理論。

1940年代初，作為曼哈頓計劃的一部分，用于軍事目的的核聚變開始被研究。

1951年，在核試驗中完成了核聚變。

1952年11月1日，在常春藤麥克氫彈試驗中首次進行了大規(guī)模核聚變。

正如裂變技術從原子彈發(fā)展到民用裂變電站的歷程一樣，氫彈實驗成功后，自1950年代起，人類開始研究用于民用目的的受控熱核聚變。

如前文提及，目前人類已經(jīng)可以實現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸；實際上，也可以觸發(fā)可控核聚變，只是輸入的能量大于輸出、或發(fā)生時間極短。

但是要想聚變能可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，并且實現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。

那么如何才能獲取穩(wěn)定持續(xù)可控的核聚變能量輸出呢？

“聚變?nèi)胤e”概念有必要了解一下。

聚變的第一步是要使燃料處于等離子體態(tài)，也即進入物質(zhì)第四態(tài)。

等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體，也被稱之為“電漿”。

在等離子體中，由于高溫，電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，為核子的碰撞準備了條件。

當?shù)入x子體的溫度達到幾千萬度甚至幾億度時，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同時還有足夠的密度和足夠長的約束時間，這種聚變反應就可以穩(wěn)定地持續(xù)進行。

因此，等離子體的溫度、密度和約束時間三者乘積稱為“聚變?nèi)胤e”，當它達到10的22次方時，聚變輸出的功率等于為驅(qū)動反應而輸入的功率，超過這一基本值反應才能自持進行。

按照三重積的量級，不難想象要達成熱核聚變反應，需要特殊的反應容器以獲取和維持足夠的反應條件。

從現(xiàn)階段的研究來看，在地球上要創(chuàng)造聚變的條件，主要采用磁約束聚變和慣性約束聚變兩種不同途徑。

慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）是利用激光或激光產(chǎn)生的 X 射線作驅(qū)動源，均勻地加熱裝填氘氚(DT)燃料的微型球狀靶丸外殼表面，形成高溫高壓等離子體并向外噴射，產(chǎn)生反沖壓力，快速地向內(nèi)壓縮靶丸未加熱的部分，使DT主燃料層密度達到每立方厘米幾百克質(zhì)量，并在DT燃料芯部形成高溫高密度熱斑，點燃聚變反應。

燃燒從中心向外迅速地在被壓縮的主燃料層中傳播，靶丸自身的慣性約束高溫高密度燃燒需要足夠長的時間，進行充分的燃燒后，放出大量聚變能，獲得能量增益。

而磁約束核聚變（Magnetic confinement fusion, MCF）則是利用磁場與高熱等離子體來引發(fā)核聚變反應的路線。

磁約束聚變的作法是，先加熱燃料，使它成為等離子體形態(tài)，再利用磁場，拘束住高熱等離子體中的帶電粒子，使它進行螺線運動，進一步加熱等離子體，直到產(chǎn)生核聚變反應。

磁約束核聚變的發(fā)展程度比慣性約束聚變要好，并且通常被認為更有前途用于能源生產(chǎn)。

但是隨著尺寸增加，產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀況也比較嚴重。

目前國際上主流的方案是使用托卡馬克（Tokamak）技術來達成磁約束核聚變。

托卡馬克這個詞是轉(zhuǎn)寫俄語單詞токамак，是一個縮寫：它的名字Tokamak來源于環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）。指的是“帶有電磁線圈的環(huán)形真空室”。

托卡馬克最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的物理學家伊戈爾·塔姆，安德烈·薩哈羅夫，和列夫·阿齊莫維齊等人在1950年代發(fā)明的，如今已在世界范圍內(nèi)被采用，成為最有前景的磁約束核聚變裝置。

它的中央是一個環(huán)形真空，外面圍繞著線圈。通電時其內(nèi)部會產(chǎn)生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達到受控核聚變的目的。

圖2 經(jīng)演化后的托卡馬克裝置線圈基本構造

圖3 托卡馬克裝置真空室

托卡馬克裝置的環(huán)形設計是其主要結構特征，首先向環(huán)形真空室內(nèi)充入一定氣體，在微波等預電離手段的作用下，產(chǎn)生少量離子，然后通過感應或者微波、中性束注入等方式，激發(fā)并維持一個強大的環(huán)形等離子體電流。

這個等離子體電流與外面的線圈電流一起，產(chǎn)生一定的螺旋型磁場，將其中的等離子體約束住，并使其與外界盡可能地絕熱。

這樣，等離子體才能被感應、中性束、離子回旋共振、電子回旋共振、低雜波等方式加熱到上億度的高溫，以達到核聚變的目的。

20世紀70年代后期到80年代中期，世界各國陸續(xù)建成了五個大型的托卡馬克裝置，分別是：

1982-1997年: 美國的TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor，已拆解）。

1980年: 通用原子能公司的DIII-D。

1985年: JT-60, 日本茨城縣那珂市。

1983年: 歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆（Joint European Torus）

1988-2005年：俄國莫斯科庫爾恰托夫研究所T-15。

隨著研究的深入，大家意識到需要建造新一代托卡馬克裝置來提升“三重積”，我國的先進實驗超導托卡馬克實驗裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）正是在這個大背景下建造成功的。

EAST原名HT－7U，又被稱為東方超環(huán)，是中國科學院等離子體物理研究所在安徽省合肥市建設的世界第一個全超導磁體托卡馬克核聚變反應試驗性裝置，屬于中國國家“九五”重大科學工程。

EAST融入了幾十年來的聚變研究成果，比如DIII-D的D型截面展示的良好約束效果，T15所提出的超導線圈優(yōu)勢等等。

自2006年建成第一次放電以來，EAST取得了一系列里程碑式的成果：

2006年9月28日，EAST首次成功放電，這是全球首個投入運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置；

2016年1月28日凌晨零點26分，EAST成功實現(xiàn)了電子溫度超過5千萬度、持續(xù)時間達102秒的超高溫長脈沖等離子體放電，這是國際托卡馬克實驗裝置上電子溫度達到5000萬度持續(xù)時間最長的等離子體放電。

2016年11月2日消息，EAST獲得超過60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體放電。EAST因此成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

2017年7月3日夜晚，實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄。這標志著EAST成為了世界上第一個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行持續(xù)時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

2018年11月12日，EAST首次實現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達到1億度。

總的來說，EAST的一系列里程碑成果表明中國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運行的物理和工程方面，開始引領國際前沿，這對ITER的建設和運行具有重大的科學意義。

基于以上所有介紹后，再來談ITER應該是不突兀了。國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是國際核聚變研究的巨型工程，是目前正在建設的世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆，位于法國南部的卡達拉舍。

ITER始于1985年，里根-戈爾巴喬夫倡議蘇聯(lián)，歐盟（通過歐洲原子能共同體），美國和日本平等的參與在1988年-1998年的初步設計。后來俄羅斯取代了前蘇聯(lián)的位置，美國曾于1999年到2003年之間退出，加拿大于2003年退出，而中國和韓國則加入?yún)⑴c開發(fā)研究，印度在2005年12月也加入了該計劃。

2006年5月24日，參加這一項目的歐盟、美國、中國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方代表草簽了一系列相關合作協(xié)議，標志著這項計劃開始啟動。

ITER的使命是展示聚變發(fā)電的可行性，并證明它可以不造成負面影響。

但是需要明確的是ITER不發(fā)電。

簡單來說，其目標是：

1. 產(chǎn)生聚變增益因子Q為10的等離子體。

2. 產(chǎn)生Q值超過5的穩(wěn)態(tài)等離子體。

3. 維持480秒的穩(wěn)態(tài)聚變脈沖。

4. 聚變等離子體可自持。

5. 驗證氚增殖(Tritium breeding)概念。

6. 完善中子屏蔽/熱轉(zhuǎn)換技術。

ITER的主要技術探索任務有：

1. 探索新的加熱方式與能量損失機制；

2. 用環(huán)向超導磁體產(chǎn)生5.3特斯拉的強磁場，實現(xiàn)長脈沖的維持，改善等離子體的約束性能；

3. 研究等離子體邊界行為及控制策略，防御大尺度等離子體破裂，探索等離子體密度極限；

4. 研制防高能中子輻照材料，研制在惡劣工況下長壽命的第一壁材料；

5. 解決反應室加料排廢、主動冷卻、連續(xù)供電功能，探索聚變堆的最佳化設計。

圖4 ITER設計結構示意圖

ITER的工程建設時間軸和現(xiàn)狀1998年，ITER工程設計獲批。

2006年， ITER項目被正式同意并被資助，預計2008年將開始建設，預計成本為100億歐元（128億美元），并在十年后完成。

2013年，ITER被核算已有許多拖延和預算超支。

2015年，ITER項目審查得出結論，時間軸需要往后延長至少6年。

2016年，伊朗原子能組織完成了伊朗參加ITER的初步工作。

2017年，完成了低溫容器底座和底部柱體的安裝，為托卡馬克的安裝鋪平了道路。至此，ITER已經(jīng)完成了 65% 的工作。

2020年7月28日，ITER托卡馬克裝置安裝工程啟動。

圖5 ITER托卡馬克裝置安裝工程在法國啟動

ITER計劃的托卡馬克裝置將成為世界上最大的托卡馬克裝置，其體積是目前運行的最大托卡馬克裝置的兩倍，其等離子體反應室容積也是其10倍。

根據(jù)ITER計劃此前發(fā)表的公報，通過對項目進展的評估，托卡馬克裝置有望在2025年首次開機產(chǎn)生第一炮等離子體，這也是ITER數(shù)十年運行計劃的第一步。

而氘氚聚變實驗預計于2035年開始。

說到這里，ITER在聚變能甚至是能源領域的重要性已經(jīng)毋庸多言。

我國作為2006年參與ITER計劃的七方成員之一，承擔了ITER裝置近10%的采購包任務。

而中科院等離子體物理研究所正是中方任務的主要承擔單位，自2009年以來主持了超導導體、校正場線圈、磁體饋線系統(tǒng)等制造任務。

更值得一提的是，目前大部分采購包部件已實現(xiàn)全國產(chǎn)化。

除了中科院等離子體所和核工業(yè)西南物理研究院這些研究單位之外，中國的企業(yè)也逐漸參與到ITER的工程建設中來。

比如，2019年9月，中核集團牽頭的中法聯(lián)合體團隊正式與ITER組織簽訂托卡馬克主機TAC-1安裝標段工程合同。

作為該標段的第一個重要工程節(jié)點，ITER的杜瓦底座（托卡馬克裝置壓力容器的底座）吊裝工作于今年5月28日完成。

在國際核聚變研究中，很長一段時間，美國、日本和歐盟等保持著明顯的優(yōu)勢，因此一起被納入國際核聚變的第一陣營。

而中國在過去二十年的發(fā)展中，則被視為第二陣營中崛起最快的國家，不諱言，已經(jīng)躋身第一陣營。

實際上，中國加入ITER本身的目的就是要通過參加ITER裝置的建造和運行，全面掌握磁約束核聚變研究和技術成果，鍛煉、培養(yǎng)一支高水平聚變科研和工程技術人才隊伍；帶動國內(nèi)其他相關領域的技術發(fā)展，推進我國核聚變能源的研究發(fā)展。

隨著我國對核聚變研究的持續(xù)支持，下一個十年，或更長時間，中國核聚變工程實驗堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）的設計甚至是建設工作將會給聚變能行業(yè)帶來更強的中國聲音。（作者系國內(nèi)核聚變領域研究人員）