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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(shi)間8月31日，在(zai)法國南(nan)部卡達拉舍(she)，國際熱核聚變實驗(yan)堆（ITER）托(tuo)卡馬克(ke)裝置杜瓦下部筒體吊裝工作(zuo)圓(yuan)滿完成。這是(shi)ITER計劃重(zhong)大工程安(an)裝啟(qi)動儀式后的第一(yi)個重(zhong)大部件安(an)裝。

此(ci)次(ci)吊(diao)裝(zhuang)精度和(he)形變控制要求極高，杜瓦下(xia)部筒體(ti)直徑30米，高10米，重(zhong)量約400噸(dun)，尺(chi)寸大約占ITER托卡馬克裝(zhuang)置的(de)三分之一。中核(he)集團(tuan)牽頭的(de)中法聯合體(ti)技術(shu)團(tuan)隊承擔此(ci)次(ci)吊(diao)裝(zhuang)工(gong)作(zuo)，在與業(ye)主反復(fu)進(jin)(jin)行計算確認，對吊(diao)具(ju)的(de)尺(chi)寸、現場吊(diao)裝(zhuang)路徑以及用于就位(wei)調整的(de)工(gong)具(ju)進(jin)(jin)行反復(fu)模擬(ni)后，在理論上確保了吊(diao)裝(zhuang)安裝(zhuang)工(gong)作(zuo)的(de)安全，并在正式吊(diao)裝(zhuang)前多(duo)次(ci)組織吊(diao)裝(zhuang)方案推演并進(jin)(jin)行吊(diao)裝(zhuang)試驗(yan)，確保調整工(gong)具(ju)和(he)支撐工(gong)具(ju)狀態安全可用。

ITER計劃(hua)模仿的(de)是太(tai)陽(yang)產生能量的(de)過(guo)程——將(jiang)氫同位(wei)素聚合成(cheng)氦，釋放(fang)出取之不竭的(de)熱核聚變能源。正(zheng)因如此，它(ta)被形象地稱(cheng)為“人造太(tai)陽(yang)”計劃(hua)。

太陽通過熱核聚變產生能量

中核(he)(he)(he)集團核(he)(he)(he)工(gong)業西(xi)南物(wu)理(li)研(yan)究院聚變(bian)(bian)科學所(suo)副所(suo)長鐘武律介紹，由于核(he)(he)(he)反(fan)應(ying)過(guo)程中總質量(liang)發(fa)生虧(kui)損(sun)，按照愛因斯坦的質能(neng)方程E=mc2，核(he)(he)(he)反(fan)應(ying)中相(xiang)應(ying)地會釋放出(chu)巨大的能(neng)量(liang)。核(he)(he)(he)反(fan)應(ying)可(ke)分為核(he)(he)(he)裂(lie)變(bian)(bian)和核(he)(he)(he)聚變(bian)(bian)。核(he)(he)(he)裂(lie)變(bian)(bian)是(shi)指(zhi)由較(jiao)(jiao)重(zhong)的原子(zi)(zi)核(he)(he)(he)分裂(lie)為較(jiao)(jiao)輕的原子(zi)(zi)核(he)(he)(he)，而核(he)(he)(he)聚變(bian)(bian)則是(shi)將較(jiao)(jiao)輕的原子(zi)(zi)核(he)(he)(he)聚合為較(jiao)(jiao)重(zhong)的原子(zi)(zi)核(he)(he)(he)。

核聚變(bian)是宇宙的能源，太陽及恒(heng)星之所以發光發熱，正是因為(wei)其(qi)內部(bu)持續不(bu)斷地(di)進行著輕核間的核聚變(bian)反應(ying)。

由于自身質(zhi)量巨大(da)，在強大(da)的(de)(de)引力下(xia)，太(tai)(tai)陽(yang)會不斷(duan)(duan)擠壓其內部的(de)(de)氫(qing)原(yuan)子核(he)(he)(he)(he)，使得內部的(de)(de)壓力和溫(wen)度變(bian)(bian)(bian)得極高(gao)(gao)(gao)，氫(qing)原(yuan)子核(he)(he)(he)(he)間不斷(duan)(duan)相互碰(peng)撞(zhuang)，形成了可(ke)以(yi)產生核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)(gao)密度條(tiao)件(jian)，從(cong)而發生核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)釋放巨大(da)能量。太(tai)(tai)陽(yang)核(he)(he)(he)(he)心溫(wen)度超過1500萬攝(she)氏度，在這種極高(gao)(gao)(gao)溫(wen)條(tiao)件(jian)下(xia)進行(xing)的(de)(de)核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應也被稱為熱核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)(bian)。

熱核聚變反應是氫彈爆炸(zha)(zha)的(de)(de)(de)基礎。氫彈的(de)(de)(de)爆炸(zha)(zha)依(yi)賴原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)彈來引爆，可在(zai)(zai)瞬間產(chan)(chan)生巨大能(neng)量。在(zai)(zai)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)彈爆炸(zha)(zha)產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)高溫下(xia)，燃(ran)料的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)將全(quan)部電(dian)離(li)成離(li)子(zi)(zi)(zi)（原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)核）和電(dian)子(zi)(zi)(zi)，它(ta)們組成的(de)(de)(de)集合體即為等離(li)子(zi)(zi)(zi)體。但氫彈爆炸(zha)(zha)是不(bu)可控的(de)(de)(de)熱核聚變反應，不(bu)能(neng)作為提供(gong)(gong)能(neng)源(yuan)的(de)(de)(de)手(shou)段。于(yu)是人(ren)類便致力于(yu)在(zai)(zai)地球(qiu)上實(shi)現(xian)人(ren)工控制下(xia)的(de)(de)(de)核聚變反應即受控核聚變，希望利用太陽發(fa)光(guang)發(fa)熱的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)理(li)，為人(ren)類提供(gong)(gong)源(yuan)源(yuan)不(bu)斷(duan)的(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)。

熱核聚變發生有三個苛刻條件

在(zai)所(suo)有核(he)聚(ju)變反應中，氫的同位素——氘和(he)氚(chuan)的核(he)聚(ju)變反應是相(xiang)對(dui)容易實(shi)現的。因此人類至今探索研究(jiu)的受控核(he)聚(ju)變主要是基(ji)于氘氚(chuan)聚(ju)變燃料的核(he)聚(ju)變。

鐘武律(lv)說，實現可控(kong)核聚變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應，要求在人工(gong)控(kong)制條(tiao)件下等離(li)子(zi)體的(de)離(li)子(zi)溫度(du)、密度(du)與能量約束時間“三乘積”必(bi)須達(da)到(dao)一定值。換(huan)句話說，只有(you)核聚變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應釋放出(chu)(chu)足夠(gou)多的(de)能量，才可維持核聚變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應堆的(de)運轉并有(you)可觀(guan)的(de)能量輸出(chu)(chu)，使(shi)聚變(bian)(bian)(bian)反(fan)(fan)應循環進行。

但要(yao)在(zai)地球上模擬(ni)太陽產生(sheng)能量(liang)的(de)熱核聚變(bian)過程(cheng)，面臨著(zhu)眾多難題。熱核聚變(bian)發(fa)生(sheng)的(de)條件非常苛刻，第(di)一是高溫條件，原(yuan)子核必須具備足夠高的(de)動能（如溫度(du)達(da)到上億攝氏度(du)），才(cai)能克服原(yuan)子核間的(de)庫侖(lun)排斥力，使它們相互靠(kao)得足夠近，以便讓短程(cheng)核間吸引力

發揮主(zhu)要作用(yong)；第二是等(deng)離子體高密度條件，氘氚(chuan)原子核(he)(he)的(de)密度足(zu)(zu)夠(gou)高，可以提高原子核(he)(he)之間(jian)的(de)碰撞進而(er)發生核(he)(he)聚變反(fan)應(ying)的(de)幾率；第三(san)是長能(neng)量約束時間(jian)，將高溫高密度的(de)核(he)(he)反(fan)應(ying)條件維(wei)持足(zu)(zu)夠(gou)長的(de)時間(jian)，才能(neng)使核(he)(he)聚變反(fan)應(ying)得以持續進行(xing)。

聚全球之力共解磁約束核聚變難題

不(bu)僅發生核(he)聚(ju)變的條件苛刻，而(er)且(qie)開發聚(ju)變能還面臨一系列科(ke)學(xue)與技術挑戰。比如，氘(dao)氚原子(zi)(zi)核(he)在溫度超過(guo)上億(yi)攝氏度后更(geng)容(rong)易發生聚(ju)變反應，極端高溫下(xia)的等(deng)離子(zi)(zi)體(ti)無法用普(pu)通固體(ti)容(rong)器來(lai)盛裝，為(wei)此科(ke)學(xue)家們提出(chu)用強磁場的方(fang)式將(jiang)其“包裹”起來(lai)。

在國(guo)際上(shang)，利用強(qiang)磁場(chang)來約(yue)(yue)束(shu)(shu)高溫等(deng)離子體(ti)的磁約(yue)(yue)束(shu)(shu)核聚變研究(jiu)始于20世紀(ji)(ji)50年代，經歷了從快(kuai)箍縮、磁鏡、仿星(xing)器到托卡馬克等(deng)不同磁約(yue)(yue)束(shu)(shu)技術(shu)路線的探索。從20世紀(ji)(ji)70年代開始，托卡馬克途(tu)徑(jing)逐漸(jian)顯示(shi)出其獨特的優點，成(cheng)為國(guo)際聚變能研究(jiu)的主(zhu)流途(tu)徑(jing)。

但要利用(yong)托卡馬克裝置實現對熱(re)核(he)聚變的(de)(de)控制，在關鍵技(ji)術上仍存(cun)在很大挑戰, 需(xu)凝聚全世界(jie)之力共同攻克。1985年(nian)美蘇首(shou)腦提出了ITER計劃，其目的(de)(de)就(jiu)是希望通過國(guo)際聚變界(jie)的(de)(de)共同努力，集當今磁約(yue)束(shu)受(shou)控核(he)聚變研究領域的(de)(de)主(zhu)要科學(xue)和(he)技(ji)術成果(guo)，建造一座熱(re)核(he)聚變反應堆，以驗(yan)證(zheng)核(he)聚變能和(he)平(ping)利用(yong)的(de)(de)科學(xue)和(he)工(gong)程(cheng)技(ji)術可行性。

2006年，中(zhong)國(guo)(guo)、歐(ou)盟、美國(guo)(guo)、俄羅斯、日本(ben)、韓(han)國(guo)(guo)和(he)印度共七(qi)(qi)方(fang)簽署了啟動(dong)ITER項目(mu)的(de)(de)協定。該計劃是目(mu)前全球(qiu)規(gui)模(mo)最大、影響最深遠(yuan)的(de)(de)國(guo)(guo)際大科學工程之一, 七(qi)(qi)方(fang)超(chao)(chao)過35個(ge)國(guo)(guo)家在法國(guo)(guo)南部參(can)與建(jian)造了一個(ge)能產生大規(gui)模(mo)核(he)聚變反應(ying)的(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)托卡馬(ma)克裝置，它(ta)(ta)將(jiang)驗證如何將(jiang)足夠(gou)多的(de)(de)燃料在極端(duan)高溫條件下約束足夠(gou)長的(de)(de)時間，使它(ta)(ta)受控制(zhi)地(di)發(fa)生核(he)聚變反應(ying)。

鐘武律(lv)介(jie)紹，ITER裝置(zhi)高30米，直徑28米，重(zhong)達2萬噸，目(mu)標有3個(ge)：驗(yan)證核反應(ying)堆級別(bie)的裝置(zhi)主機集成技術(shu)；驗(yan)證裝置(zhi)的穩定運(yun)行能力；實現聚變(bian)反應(ying)的輸出功(gong)率至少10倍于輸入功(gong)率（即聚變(bian)功(gong)率增(zeng)益因子Q要(yao)大于10），演(yan)示50萬千瓦聚變(bian)反應(ying)功(gong)率的可靠運(yun)行。

中國核聚變目標更在ITER之外

隨著科技(ji)日新月異，未來在核聚變(bian)(bian)能(neng)開發(fa)方面將不斷涌現技(ji)術(shu)革(ge)新，或可(ke)(ke)能(neng)出現顛覆性技(ji)術(shu)革(ge)命，比如(ru)隨著高溫超(chao)導技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展，若采用高溫超(chao)導強磁場技(ji)術(shu)，可(ke)(ke)獲得(de)高的(de)聚變(bian)(bian)功率密度，可(ke)(ke)減(jian)小(xiao)裝(zhuang)置的(de)尺(chi)寸，提高聚變(bian)(bian)堆的(de)經濟性，且強磁場更利于(yu)聚變(bian)(bian)等離子體(ti)的(de)高性能(neng)穩態(tai)運行。

以(yi)ITER為標(biao)志，磁約(yue)束(shu)核聚變研究正進(jin)入反應堆工(gong)程與實(shi)驗階段。國際(ji)主要發展(zhan)聚變能(neng)的(de)國家(jia)以(yi)瞄準未來設計(ji)建(jian)設本國聚變示(shi)范堆（DEMO）為目標(biao)，重點開展(zhan)聚變實(shi)驗堆設計(ji)及關(guan)鍵技術攻關(guan)，并(bing)儲(chu)備(bei)相關(guan)經驗與人才隊伍。

對中國而(er)言，參加ITER計劃是(shi)我(wo)國磁約束核聚(ju)變能研(yan)發計劃中的關鍵一步，我(wo)國自主建(jian)造(zao)未(wei)來聚(ju)變堆仍(reng)面臨一系列關鍵科學(xue)與技(ji)術挑戰，需提前(qian)布(bu)局，一一攻克。

根據中(zhong)國核聚變研究(jiu)發(fa)(fa)展現(xian)狀，我國制定(ding)了發(fa)(fa)展路線和目標(biao)。2011年開(kai)始(shi)的中(zhong)國聚變工程(cheng)試驗堆（CFETR）設(she)計研究(jiu)，就(jiu)是該路線的一個重(zhong)要(yao)方面。

“縱觀國際聚(ju)(ju)變(bian)(bian)發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)，受控核聚(ju)(ju)變(bian)(bian)有望于21世紀中葉實現(xian)和平(ping)利用(yong)(yong)。”鐘(zhong)武律說，立足我國磁約束核聚(ju)(ju)變(bian)(bian)研究現(xian)狀(zhuang)，下一步我國核聚(ju)(ju)變(bian)(bian)的發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)應充分利用(yong)(yong)ITER的建設與(yu)(yu)運(yun)行(xing)，重點進行(xing)人才培養與(yu)(yu)技術(shu)儲備，瞄準自主設計建造聚(ju)(ju)變(bian)(bian)堆(dui)，開展(zhan)(zhan)(zhan)ITER未(wei)涵蓋的未(wei)來(lai)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)堆(dui)關鍵技術(shu)攻關。

【責任(ren)編輯：趙(zhao)藝涵】