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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(di)時間8月31日，在(zai)法國南部卡達拉(la)舍，國際熱核聚(ju)變實驗堆（ITER）托卡馬克裝置(zhi)杜瓦下部筒(tong)體吊裝工(gong)作圓滿(man)完成。這是ITER計劃重大工(gong)程安裝啟動儀式后的第一個重大部件(jian)安裝。

此次吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)精度(du)和形變控(kong)制(zhi)要求極(ji)高(gao)，杜(du)瓦下部筒體(ti)直(zhi)徑30米，高(gao)10米，重量約400噸(dun)，尺寸大(da)約占ITER托卡馬克裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置的(de)三分(fen)之一。中(zhong)核(he)集團牽頭的(de)中(zhong)法(fa)聯合(he)體(ti)技術團隊承擔此次吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)工作，在與業主反復(fu)進行(xing)計算確認，對吊(diao)(diao)具(ju)的(de)尺寸、現場吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)路徑以及(ji)用于就位(wei)調整的(de)工具(ju)進行(xing)反復(fu)模擬后，在理論上確保(bao)了吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)安裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)工作的(de)安全，并(bing)在正式吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)前多次組織吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)方案推演并(bing)進行(xing)吊(diao)(diao)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)試(shi)驗，確保(bao)調整工具(ju)和支撐工具(ju)狀(zhuang)態安全可用。

ITER計劃(hua)模(mo)仿的(de)是太(tai)陽產生能量的(de)過程——將氫(qing)同位(wei)素聚合成(cheng)氦(hai)，釋放出取之不竭的(de)熱核聚變(bian)能源。正因如(ru)此(ci)，它被形象地稱為“人造太(tai)陽”計劃(hua)。

太陽通過熱核聚變產生能量

中核(he)(he)(he)集(ji)團核(he)(he)(he)工業西南物理(li)研究(jiu)院聚(ju)變(bian)科學所副所長鐘武(wu)律介(jie)紹，由于(yu)核(he)(he)(he)反應(ying)過程中總(zong)質量發生(sheng)虧損，按照愛因(yin)斯坦的(de)質能方程E=mc2，核(he)(he)(he)反應(ying)中相應(ying)地會釋放出巨大的(de)能量。核(he)(he)(he)反應(ying)可分(fen)為核(he)(he)(he)裂(lie)變(bian)和核(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)。核(he)(he)(he)裂(lie)變(bian)是指由較重的(de)原子(zi)核(he)(he)(he)分(fen)裂(lie)為較輕的(de)原子(zi)核(he)(he)(he)，而核(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)則是將較輕的(de)原子(zi)核(he)(he)(he)聚(ju)合為較重的(de)原子(zi)核(he)(he)(he)。

核(he)(he)(he)聚(ju)(ju)變是宇宙的(de)能源，太陽及恒星(xing)之所以發光發熱，正(zheng)是因(yin)為其內部持續不斷地進(jin)行著輕核(he)(he)(he)間的(de)核(he)(he)(he)聚(ju)(ju)變反應(ying)。

由于(yu)自身(shen)質量(liang)巨大(da)(da)，在(zai)強大(da)(da)的引力(li)下(xia)，太陽會(hui)不(bu)斷擠(ji)壓其內部(bu)(bu)的氫原子核(he)，使得內部(bu)(bu)的壓力(li)和溫(wen)度變(bian)(bian)(bian)得極(ji)高，氫原子核(he)間不(bu)斷相(xiang)互碰撞，形(xing)成了可以產生核(he)聚變(bian)(bian)(bian)反應(ying)(ying)的高溫(wen)高密度條件(jian)，從而發生核(he)聚變(bian)(bian)(bian)釋放(fang)巨大(da)(da)能量(liang)。太陽核(he)心溫(wen)度超過1500萬攝氏(shi)度，在(zai)這種(zhong)極(ji)高溫(wen)條件(jian)下(xia)進行的核(he)聚變(bian)(bian)(bian)反應(ying)(ying)也被稱為熱(re)核(he)聚變(bian)(bian)(bian)。

熱(re)核(he)(he)聚(ju)(ju)變反(fan)應是(shi)氫彈爆炸(zha)的(de)基礎。氫彈的(de)爆炸(zha)依賴原子彈來引爆，可在瞬間產生巨大能(neng)量(liang)。在原子彈爆炸(zha)產生的(de)高溫下，燃料(liao)的(de)原子將全部(bu)電離(li)成離(li)子（原子核(he)(he)）和(he)電子，它們組成的(de)集合體(ti)即為(wei)等(deng)離(li)子體(ti)。但氫彈爆炸(zha)是(shi)不(bu)可控的(de)熱(re)核(he)(he)聚(ju)(ju)變反(fan)應，不(bu)能(neng)作為(wei)提(ti)供能(neng)源(yuan)的(de)手段。于是(shi)人(ren)(ren)(ren)類(lei)便致力(li)于在地球上(shang)實現人(ren)(ren)(ren)工控制下的(de)核(he)(he)聚(ju)(ju)變反(fan)應即受控核(he)(he)聚(ju)(ju)變，希(xi)望利用太陽發(fa)光發(fa)熱(re)的(de)原理(li)，為(wei)人(ren)(ren)(ren)類(lei)提(ti)供源(yuan)源(yuan)不(bu)斷(duan)的(de)能(neng)源(yuan)。

熱核聚變發生有三個苛刻條件

在所有核(he)(he)聚(ju)變反(fan)應(ying)中，氫(qing)的(de)(de)同位素——氘和氚的(de)(de)核(he)(he)聚(ju)變反(fan)應(ying)是相(xiang)對容易實現(xian)的(de)(de)。因此人類至今探索(suo)研(yan)究的(de)(de)受控核(he)(he)聚(ju)變主要(yao)是基于氘氚聚(ju)變燃(ran)料(liao)的(de)(de)核(he)(he)聚(ju)變。

鐘武律(lv)說，實現可控(kong)核(he)聚變(bian)(bian)反應(ying)，要求在人(ren)工控(kong)制條件(jian)下(xia)等(deng)離子(zi)體的離子(zi)溫度、密度與能(neng)量(liang)約(yue)束時間“三(san)乘(cheng)積”必須達(da)到一定值(zhi)。換句話說，只有核(he)聚變(bian)(bian)反應(ying)釋放(fang)出足夠(gou)多(duo)的能(neng)量(liang)，才可維持核(he)聚變(bian)(bian)反應(ying)堆的運轉并(bing)有可觀的能(neng)量(liang)輸出，使(shi)聚變(bian)(bian)反應(ying)循環(huan)進行(xing)。

但(dan)要(yao)在地(di)球上模擬太陽產生能(neng)量(liang)的熱核(he)聚(ju)(ju)變(bian)過程，面臨著眾多難題。熱核(he)聚(ju)(ju)變(bian)發(fa)生的條(tiao)件非(fei)常苛刻，第(di)一是高溫(wen)條(tiao)件，原子核(he)必須具備足夠(gou)高的動(dong)能(neng)（如溫(wen)度(du)達到上億攝氏度(du)），才能(neng)克服原子核(he)間的庫侖排(pai)斥力，使它們相(xiang)互靠得足夠(gou)近，以便(bian)讓短程核(he)間吸引力

發揮主要作用；第(di)二是等離子體高密(mi)度(du)條件，氘(dao)氚原子核(he)的密(mi)度(du)足夠高，可以提高原子核(he)之間的碰撞進而發生核(he)聚(ju)變(bian)反應(ying)的幾(ji)率；第(di)三是長(chang)能量約束時(shi)間，將高溫(wen)高密(mi)度(du)的核(he)反應(ying)條件維持足夠長(chang)的時(shi)間，才能使核(he)聚(ju)變(bian)反應(ying)得(de)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(fa)生核聚(ju)(ju)變(bian)的(de)條件苛刻，而且(qie)開發(fa)聚(ju)(ju)變(bian)能還面臨(lin)一系列科學與技術挑(tiao)戰。比(bi)如，氘氚原子核在溫(wen)度(du)(du)超過上億攝氏度(du)(du)后更容(rong)易發(fa)生聚(ju)(ju)變(bian)反應(ying)，極端高溫(wen)下(xia)的(de)等離子體無法用普通(tong)固體容(rong)器(qi)來(lai)盛裝，為此科學家們提(ti)出用強磁場的(de)方式將其“包裹”起來(lai)。

在國際上，利用強磁場來(lai)約束高(gao)溫(wen)等離子體的(de)磁約束核聚變研究(jiu)始(shi)于20世(shi)紀50年(nian)代，經歷了從(cong)快箍縮(suo)、磁鏡、仿星器到托卡馬(ma)克(ke)等不同磁約束技術路(lu)線的(de)探(tan)索(suo)。從(cong)20世(shi)紀70年(nian)代開始(shi)，托卡馬(ma)克(ke)途徑逐漸顯示出(chu)其獨特的(de)優點，成為(wei)國際聚變能研究(jiu)的(de)主流途徑。

但要利用托卡馬克裝置(zhi)實現(xian)對熱(re)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)的(de)(de)控制，在關(guan)鍵(jian)技(ji)(ji)術(shu)上仍存在很(hen)大挑戰, 需(xu)凝聚(ju)(ju)全世界之力共同攻克。1985年美蘇首腦提出了ITER計劃，其目的(de)(de)就是(shi)希望通(tong)過國際聚(ju)(ju)變(bian)界的(de)(de)共同努力，集當今磁約束受控核(he)聚(ju)(ju)變(bian)研究領域的(de)(de)主要科學和技(ji)(ji)術(shu)成果，建造一(yi)座熱(re)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)反(fan)應堆，以驗證核(he)聚(ju)(ju)變(bian)能和平利用的(de)(de)科學和工程(cheng)技(ji)(ji)術(shu)可行性(xing)。

2006年，中國(guo)、歐(ou)盟、美國(guo)、俄(e)羅斯(si)、日(ri)本、韓國(guo)和印(yin)度共(gong)七(qi)方簽署了啟動ITER項目的(de)協(xie)定。該計(ji)劃是目前全球規(gui)(gui)模最(zui)(zui)大、影響最(zui)(zui)深遠的(de)國(guo)際大科學工程之一(yi), 七(qi)方超過(guo)35個國(guo)家在法國(guo)南部參與建造(zao)了一(yi)個能產生大規(gui)(gui)模核(he)聚變反應的(de)超導托(tuo)卡馬克裝置，它(ta)將驗證如(ru)何將足夠(gou)多的(de)燃(ran)料在極端高溫(wen)條件下約束足夠(gou)長的(de)時間，使它(ta)受控制地發生核(he)聚變反應。

鐘武律介紹，ITER裝(zhuang)置高30米，直徑28米，重達2萬噸，目(mu)標有3個：驗(yan)證(zheng)核反應堆級(ji)別的裝(zhuang)置主機集成技術；驗(yan)證(zheng)裝(zhuang)置的穩定運(yun)行能力；實現聚(ju)變(bian)反應的輸出功(gong)率(lv)至少10倍(bei)于(yu)輸入(ru)功(gong)率(lv)（即(ji)聚(ju)變(bian)功(gong)率(lv)增(zeng)益因子Q要大于(yu)10），演示50萬千瓦聚(ju)變(bian)反應功(gong)率(lv)的可(ke)靠運(yun)行。

中國核聚變目標更在ITER之外

隨著(zhu)科技(ji)日新月異(yi)，未來在核聚(ju)變(bian)(bian)能開發(fa)方面(mian)將不斷涌現技(ji)術革新，或可能出現顛覆性技(ji)術革命，比如(ru)隨著(zhu)高溫(wen)超(chao)導(dao)技(ji)術的發(fa)展，若采用高溫(wen)超(chao)導(dao)強磁(ci)場技(ji)術，可獲得高的聚(ju)變(bian)(bian)功率密(mi)度，可減(jian)小(xiao)裝(zhuang)置的尺寸(cun)，提高聚(ju)變(bian)(bian)堆的經濟性，且強磁(ci)場更(geng)利于聚(ju)變(bian)(bian)等(deng)離子體的高性能穩態運行。

以ITER為標志，磁(ci)約束核聚(ju)變研(yan)究正進(jin)入反(fan)應(ying)堆工程與實驗階(jie)段。國(guo)際主要發展(zhan)聚(ju)變能的(de)國(guo)家以瞄(miao)準未來設(she)計建設(she)本(ben)國(guo)聚(ju)變示范堆（DEMO）為目標，重點開展(zhan)聚(ju)變實驗堆設(she)計及關(guan)(guan)鍵技術攻關(guan)(guan)，并儲備(bei)相(xiang)關(guan)(guan)經驗與人才隊伍。

對中國(guo)而言，參加ITER計劃是我國(guo)磁約束(shu)核聚變(bian)能研發(fa)計劃中的關(guan)鍵一(yi)步(bu)，我國(guo)自主建造未(wei)來聚變(bian)堆(dui)仍面臨一(yi)系列關(guan)鍵科學與技術挑戰，需提前布(bu)局，一(yi)一(yi)攻克。

根據中國(guo)核聚變(bian)研(yan)究(jiu)發展現狀，我(wo)國(guo)制定了發展路線和目標。2011年開始的(de)中國(guo)聚變(bian)工程試驗堆（CFETR）設計研(yan)究(jiu)，就(jiu)是該路線的(de)一個重要方(fang)面。

“縱(zong)觀(guan)國(guo)際聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)發(fa)展(zhan)，受控(kong)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)有望于21世紀中葉實現(xian)和平利(li)用。”鐘武律說(shuo)，立(li)足我(wo)國(guo)磁(ci)約束核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)研究現(xian)狀，下(xia)一步我(wo)國(guo)核(he)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的發(fa)展(zhan)應充分利(li)用ITER的建設(she)與運(yun)行，重點(dian)進行人才培養與技術儲備，瞄準(zhun)自主設(she)計建造(zao)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)堆，開展(zhan)ITER未涵蓋的未來(lai)聚(ju)(ju)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)堆關鍵技術攻關。

【責(ze)任(ren)編輯：趙藝涵】