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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(dang)地時間(jian)8月31日，在法國(guo)南部卡達拉(la)舍，國(guo)際熱核聚變(bian)實驗(yan)堆(dui)（ITER）托(tuo)卡馬(ma)克(ke)裝置杜瓦(wa)下部筒體吊裝工(gong)作圓滿完成。這是ITER計劃重大工(gong)程安裝啟(qi)動儀式后的第一個重大部件(jian)安裝。

此次吊(diao)裝精度(du)和形變控制要(yao)求極高，杜瓦下部(bu)筒體(ti)直徑(jing)(jing)30米，高10米，重量(liang)約(yue)400噸(dun)，尺(chi)(chi)寸(cun)大(da)約(yue)占(zhan)ITER托卡馬克裝置的(de)(de)三分之一。中(zhong)核(he)集團牽(qian)頭的(de)(de)中(zhong)法聯合體(ti)技術團隊承擔此次吊(diao)裝工作(zuo)，在(zai)與(yu)業(ye)主反復(fu)進(jin)行計(ji)算確(que)認，對吊(diao)具(ju)的(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)、現(xian)場吊(diao)裝路徑(jing)(jing)以(yi)及用(yong)于(yu)就位調整的(de)(de)工具(ju)進(jin)行反復(fu)模擬后(hou)，在(zai)理論上(shang)確(que)保(bao)了吊(diao)裝安(an)裝工作(zuo)的(de)(de)安(an)全，并在(zai)正(zheng)式吊(diao)裝前多(duo)次組織吊(diao)裝方案推演并進(jin)行吊(diao)裝試驗，確(que)保(bao)調整工具(ju)和支(zhi)撐工具(ju)狀態(tai)安(an)全可用(yong)。

ITER計劃模仿的是太陽產生能量的過程——將氫同位素聚(ju)合成氦(hai)，釋放(fang)出取之不竭的熱核聚(ju)變能源。正因如此，它被(bei)形象地稱(cheng)為“人(ren)造太陽”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(ye)西南(nan)物理研(yan)究院聚(ju)變(bian)科學所副(fu)所長鐘武律介紹，由(you)于核(he)(he)(he)反(fan)應(ying)過程中(zhong)總質量(liang)發生(sheng)虧損，按照愛(ai)因斯坦的質能方程E=mc2，核(he)(he)(he)反(fan)應(ying)中(zhong)相(xiang)應(ying)地會釋放出(chu)巨大的能量(liang)。核(he)(he)(he)反(fan)應(ying)可分為核(he)(he)(he)裂變(bian)和(he)核(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)。核(he)(he)(he)裂變(bian)是指(zhi)由(you)較重的原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)(he)(he)分裂為較輕的原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)(he)(he)，而核(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)則(ze)是將較輕的原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)(he)(he)聚(ju)合為較重的原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)(he)(he)。

核(he)聚(ju)變是(shi)(shi)宇宙的(de)(de)能源，太陽及恒星之所以(yi)發光(guang)發熱，正是(shi)(shi)因為(wei)其(qi)內部(bu)持續不斷(duan)地進行著輕核(he)間的(de)(de)核(he)聚(ju)變反應。

由于自(zi)身質量(liang)巨大(da)，在強大(da)的(de)引力(li)下，太陽(yang)會(hui)不(bu)斷擠壓其內(nei)部的(de)氫(qing)原子核(he)(he)，使得(de)內(nei)部的(de)壓力(li)和溫(wen)(wen)度(du)變(bian)得(de)極高(gao)，氫(qing)原子核(he)(he)間不(bu)斷相互碰(peng)撞，形成了可以產生核(he)(he)聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)的(de)高(gao)溫(wen)(wen)高(gao)密度(du)條件，從而(er)發(fa)生核(he)(he)聚(ju)變(bian)釋放巨大(da)能(neng)量(liang)。太陽(yang)核(he)(he)心溫(wen)(wen)度(du)超過1500萬攝(she)氏度(du)，在這種極高(gao)溫(wen)(wen)條件下進行的(de)核(he)(he)聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)也被(bei)稱為熱(re)核(he)(he)聚(ju)變(bian)。

熱核聚(ju)(ju)變反(fan)應(ying)是氫(qing)彈(dan)爆(bao)炸(zha)的(de)基礎。氫(qing)彈(dan)的(de)爆(bao)炸(zha)依賴原子彈(dan)來引爆(bao)，可(ke)在(zai)瞬間產(chan)生巨大能(neng)量。在(zai)原子彈(dan)爆(bao)炸(zha)產(chan)生的(de)高(gao)溫下，燃(ran)料的(de)原子將全(quan)部電離成離子（原子核）和電子，它們組成的(de)集合(he)體即為等離子體。但氫(qing)彈(dan)爆(bao)炸(zha)是不可(ke)控的(de)熱核聚(ju)(ju)變反(fan)應(ying)，不能(neng)作(zuo)為提供能(neng)源(yuan)的(de)手段。于是人類便致(zhi)力于在(zai)地球上實現(xian)人工控制下的(de)核聚(ju)(ju)變反(fan)應(ying)即受(shou)控核聚(ju)(ju)變，希(xi)望利用太(tai)陽發(fa)光發(fa)熱的(de)原理，為人類提供源(yuan)源(yuan)不斷的(de)能(neng)源(yuan)。

熱核聚變發生有三個苛刻條件

在所(suo)有核(he)(he)(he)聚變(bian)反應中(zhong)，氫(qing)的(de)(de)同位素——氘和氚的(de)(de)核(he)(he)(he)聚變(bian)反應是(shi)相(xiang)對容(rong)易實現的(de)(de)。因此人類(lei)至今探(tan)索研究的(de)(de)受控核(he)(he)(he)聚變(bian)主要是(shi)基(ji)于氘氚聚變(bian)燃料的(de)(de)核(he)(he)(he)聚變(bian)。

鐘武律說(shuo)，實現可控(kong)核聚變(bian)(bian)反應(ying)(ying)(ying)，要求在(zai)人(ren)工控(kong)制條件下等離子體的(de)離子溫度、密(mi)度與(yu)能(neng)量約束(shu)時間“三乘積”必須達到(dao)一定值(zhi)。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，只有核聚變(bian)(bian)反應(ying)(ying)(ying)釋放出(chu)足夠(gou)多的(de)能(neng)量，才(cai)可維持核聚變(bian)(bian)反應(ying)(ying)(ying)堆的(de)運轉(zhuan)并有可觀(guan)的(de)能(neng)量輸出(chu)，使聚變(bian)(bian)反應(ying)(ying)(ying)循環進行。

但要(yao)在(zai)地(di)球上(shang)模擬太(tai)陽產生能量的(de)熱核聚變(bian)(bian)過(guo)程，面臨(lin)著眾多難題。熱核聚變(bian)(bian)發生的(de)條件(jian)非常苛刻，第(di)一是(shi)高(gao)溫條件(jian)，原子(zi)核必須具備(bei)足(zu)夠(gou)高(gao)的(de)動能（如(ru)溫度達到上(shang)億攝氏(shi)度），才能克服原子(zi)核間(jian)的(de)庫侖排斥力(li)，使(shi)它們(men)相互靠得足(zu)夠(gou)近(jin)，以便讓短程核間(jian)吸引力(li)

發揮主(zhu)要作用；第(di)二(er)是(shi)等離子體高(gao)密度(du)條件，氘氚原(yuan)子核的(de)密度(du)足(zu)夠高(gao)，可以(yi)提高(gao)原(yuan)子核之間的(de)碰撞進而發生核聚變反應的(de)幾率；第(di)三(san)是(shi)長能量約束(shu)時間，將(jiang)高(gao)溫高(gao)密度(du)的(de)核反應條件維持足(zu)夠長的(de)時間，才(cai)能使核聚變反應得以(yi)持續進行。

聚全球之力共解磁約束核聚變難題

不僅發生核(he)聚變(bian)(bian)的條件(jian)苛刻，而且開發聚變(bian)(bian)能(neng)還面臨一系列科(ke)(ke)學(xue)與技術挑戰。比如，氘(dao)氚(chuan)原子(zi)核(he)在溫度超過上億(yi)攝(she)氏度后更容易發生聚變(bian)(bian)反應，極端高溫下(xia)的等離子(zi)體無法用(yong)普通固體容器(qi)來(lai)盛裝，為(wei)此科(ke)(ke)學(xue)家們(men)提出用(yong)強(qiang)磁(ci)場(chang)的方式將(jiang)其“包裹(guo)”起來(lai)。

在國(guo)際上，利用強磁場(chang)來(lai)約(yue)束(shu)高溫等(deng)離子(zi)體(ti)的磁約(yue)束(shu)核聚變研究始(shi)于(yu)20世紀50年代(dai)，經歷了從快箍縮、磁鏡、仿(fang)星器到托卡(ka)馬克等(deng)不同磁約(yue)束(shu)技術路線的探索。從20世紀70年代(dai)開(kai)始(shi)，托卡(ka)馬克途徑逐(zhu)漸顯示(shi)出其獨特(te)的優(you)點(dian)，成(cheng)為國(guo)際聚變能(neng)研究的主(zhu)流途徑。

但(dan)要利(li)(li)用(yong)托(tuo)卡(ka)馬克(ke)裝(zhuang)置實(shi)現(xian)對熱核(he)聚(ju)變(bian)的(de)(de)控制(zhi)，在(zai)關鍵技(ji)術(shu)(shu)上(shang)仍存在(zai)很大(da)挑戰, 需凝聚(ju)全世界之(zhi)力共同攻克(ke)。1985年美蘇首腦提出了ITER計劃，其目(mu)的(de)(de)就是希望通過國(guo)際聚(ju)變(bian)界的(de)(de)共同努力，集當(dang)今(jin)磁約束受控核(he)聚(ju)變(bian)研(yan)究領域的(de)(de)主(zhu)要科學和技(ji)術(shu)(shu)成果，建(jian)造一座熱核(he)聚(ju)變(bian)反應(ying)堆，以驗(yan)證核(he)聚(ju)變(bian)能和平利(li)(li)用(yong)的(de)(de)科學和工程(cheng)技(ji)術(shu)(shu)可行性。

2006年(nian)，中國(guo)、歐盟(meng)、美國(guo)、俄羅斯(si)、日本、韓(han)國(guo)和(he)印度(du)共七方(fang)簽署了啟動ITER項目(mu)的協定。該計劃是(shi)目(mu)前全球(qiu)規(gui)模最大、影響最深(shen)遠的國(guo)際大科學工程之一, 七方(fang)超(chao)過35個國(guo)家在法國(guo)南部(bu)參(can)與(yu)建(jian)造了一個能(neng)產(chan)生(sheng)大規(gui)模核(he)聚變反應(ying)的超(chao)導托卡馬克裝(zhuang)置，它(ta)將(jiang)驗證如何將(jiang)足夠多的燃(ran)料在極端高溫條件下約束(shu)足夠長的時間，使(shi)它(ta)受控制(zhi)地(di)發生(sheng)核(he)聚變反應(ying)。

鐘武律(lv)介(jie)紹，ITER裝(zhuang)置(zhi)高(gao)30米，直(zhi)徑28米，重達2萬(wan)(wan)噸，目標(biao)有(you)3個：驗證核反(fan)應堆級(ji)別的裝(zhuang)置(zhi)主機(ji)集成技(ji)術；驗證裝(zhuang)置(zhi)的穩(wen)定(ding)運(yun)行能力(li)；實現聚(ju)變(bian)反(fan)應的輸(shu)(shu)出功率(lv)(lv)至少10倍于(yu)輸(shu)(shu)入(ru)功率(lv)(lv)（即聚(ju)變(bian)功率(lv)(lv)增益因子Q要大于(yu)10），演(yan)示50萬(wan)(wan)千瓦(wa)聚(ju)變(bian)反(fan)應功率(lv)(lv)的可靠(kao)運(yun)行。

中國核聚變目標更在ITER之外

隨著科技(ji)日新月異(yi)，未來在核聚(ju)變能(neng)開發方面將不斷涌現技(ji)術(shu)革新，或可能(neng)出現顛覆(fu)性技(ji)術(shu)革命，比如隨著高(gao)溫超(chao)導技(ji)術(shu)的(de)發展，若采用(yong)高(gao)溫超(chao)導強磁場技(ji)術(shu)，可獲得高(gao)的(de)聚(ju)變功率密度，可減小裝置的(de)尺(chi)寸，提高(gao)聚(ju)變堆(dui)的(de)經濟性，且強磁場更(geng)利于聚(ju)變等(deng)離(li)子(zi)體的(de)高(gao)性能(neng)穩(wen)態(tai)運行。

以(yi)ITER為(wei)標志(zhi)，磁約束核聚變(bian)研究正進入反應堆工程與(yu)實驗階段。國際主要發展聚變(bian)能的國家(jia)以(yi)瞄準(zhun)未來設(she)計(ji)建設(she)本國聚變(bian)示范堆（DEMO）為(wei)目標，重(zhong)點開展聚變(bian)實驗堆設(she)計(ji)及關鍵(jian)技術攻關，并儲備相關經(jing)驗與(yu)人才隊(dui)伍。

對(dui)中國而言，參加ITER計劃(hua)(hua)是我(wo)國磁約束核聚變能研發計劃(hua)(hua)中的(de)關鍵一步，我(wo)國自主建造(zao)未來聚變堆仍(reng)面臨一系列關鍵科學與(yu)技術挑戰，需提前布(bu)局，一一攻克。

根(gen)據中(zhong)(zhong)國核聚(ju)變研(yan)究發展(zhan)現狀，我國制(zhi)定了發展(zhan)路(lu)線和目(mu)標。2011年開始的中(zhong)(zhong)國聚(ju)變工(gong)程試(shi)驗堆（CFETR）設計(ji)研(yan)究，就是(shi)該路(lu)線的一個(ge)重要方(fang)面。

“縱(zong)觀國際聚(ju)變(bian)(bian)發展(zhan)，受控核(he)聚(ju)變(bian)(bian)有望于21世紀中葉實現和(he)平利用(yong)。”鐘武律說，立足我(wo)國磁約束核(he)聚(ju)變(bian)(bian)研究(jiu)現狀(zhuang)，下一步我(wo)國核(he)聚(ju)變(bian)(bian)的發展(zhan)應充分利用(yong)ITER的建設(she)(she)與運行，重點(dian)進(jin)行人才培養與技術儲(chu)備，瞄準自主設(she)(she)計建造聚(ju)變(bian)(bian)堆，開展(zhan)ITER未涵蓋的未來(lai)聚(ju)變(bian)(bian)堆關鍵技術攻關。

【責任編輯：趙藝涵】