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国际热核聚变实验堆计划

“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,建造约需10年,耗资50亿美元(1998年值)。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”。2003年1月,国务院批准我国参加ITER计划谈判,2006年5月,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布,“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。

国际热核聚变实验堆(ITER)计划 [1-2] ,简称“(ITER)计划” [3] ,(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor),ITER计划 [4] 倡议于1985年,并于1988年开始实验堆的研究设计工作。经过十三年努力,耗资十五亿美元,在集成世界聚变研究主要成果基础上,ITER工程设计于2001年完成。此后经过五年谈判,ITER计划 [5] 七方2006年正式签署联合实施协定,启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年,其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。中国政府坚定支持中国参与ITER计划,胡锦涛多次就此做出重要指示。经过深入调研和充分论证,中国政府于2003年1月决定正式参加ITER计划谈判。此后,中国还积极推动谈判进程,为尽早启动实施ITER计划进行不懈努力,这期间,中国先后承办了ITER第九次和第十一次政府间谈判会议。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果,首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆,将研究解决大量技术难题,是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步,因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能具有资源无限,不污染环境,不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步,其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果,拥有可靠的科学依据并具备坚实的技术基础。国际上对ITER计划的主流看法是:建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备,成功的把握较大,经过示范堆、原型堆核电站阶段,可在本世纪中叶实现聚变能商业化。ITER计划是我国改革开放以来有机会参加的最大的多边国际大科学工程合作项目。参加ITER计划有利于大幅度提升我国在科学技术领域参加国际合作的层次;有利于推动我国聚变能研究开发,加快我国聚变能开发进程;有利于我国学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验;有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高电压技术等众多领域的研究开发能力;有利于锻炼和造就一批高水平、高素质的科研人员、工程技术人员和管理人员,为我国聚变事业的发展打下坚实人才基础。2003年1月国务院批准我国参加ITER计划谈判,经过三年谈判,2006年5月24日,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定,标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段。(霍裕平院士ITER计划中国专家委员会首席科学家、郑州大学教授,潘传红研究员 中国核工业集团公司西南物理研究院院长,李建刚研究员 中国科学院等离子体物理研究所所长)

2006年5月24日,国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起,在比利时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段,即将开始工程建设,也标志着我国实质上参加了ITER计划。

ITER计划 [6] 是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。它的建造大约需要十年,耗资五十亿美元(1998年值)。合作承担ITER计划的七个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。为建设ITER,各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织,各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的,充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。

ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能,从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天,各国坚持协商、合作的精神,搁置诸多的矛盾和利害冲突,最终达成了各方都能接受的协议,并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。

我国是一个持续高速发展的发展中大国,能源问题日益突出,因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排,对国际上有关ITER计划的讨论一直给予高度关注。2002年底,国务院授权国家科学技术部代表我国政府参加ITER计划国际协商,并于2006年决定在协商完成后的草签协议上签字。这显示了我国作为一个发展中大国对我国和对人类未来负责任的态度,以及对打开国门积极参加国际科技合作的决心。

如果说重原子核在中子打击下分裂放出的"裂变能"是当今原子能电站及原子弹能量的来源,则两个氢原子核聚合反应放出"核聚变能"就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能,但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应,控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中,氢的同位素---氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相对比较易于实现的。

氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富,一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;氚可在反应堆中通过锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性,中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性,可以说,聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下,气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开,各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为"等离子体"。因此,实现"受控热核聚变"首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体,使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是,超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场(因为带电粒子只能沿磁力线运动)是一种最可能的选择。对不同设计出的"磁笼"中等离子体运动行为及防止逃逸的研究(即所谓稳定性研究),成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行,上亿度的高温必须能长时间维持(不论靠聚变反应产生的部分能量,或外加部分能量)。或者可以说,等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力,这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外,建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

从20世纪40年代末起,各国就开发了多种磁笼途径,并由之出发,对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人,经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈,其间纷争不断。在这过程中,人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始,苏联科学家发明的"托克马克"途径逐渐显示出了独特的优点,并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的"磁笼"。等离子体就被约束在这"磁笼"中,很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验,托克马克显示了较为光明的前景:等离子体达到了数百万度,等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到,如果扩大此类装置的规模,有可能获得接近聚变条件的等离子体。

20世纪90年代,在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上,聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验,得到16兆瓦的聚变功率。可以说,聚变能的科学可行性已基本得到论证,有可能考虑建造"聚变能实验堆",创造研究大规模核聚变的条件。

由于聚变能的研究不仅关系到最终解决人类能源问题,而且还涉及众多最先进且非常敏感的技术,因此,ITER计划的形成除与科学技术本身的发展有关外,还始终与主要大国在政治和外交方面的考虑分不开。本文将主要从科学和技术角度作一些分析和说明。

1985年,作为结束冷战的标志性行动之一,前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议,由美、苏、欧、日共同启动"国际热核聚变实验堆(ITER)"计划。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧(即"点火")的托可马克核聚变实验堆,以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。

最初,该计划仅确定由美、俄、欧、日四方参加,独立于联合国原子能委员会(IAEA)之外,总部分设美、日、欧三处。由于当时的科学和技术条件还不成熟,四方科技人员于1996年提出的ITER初步设计很不合理,要求投资上百亿美元。1998年,美国出于政治原因及国内纷争,以加强基础研究为名,宣布退出ITER计划。欧、日、俄三方则继续坚持合作,并基于上世纪90年代核聚变研究及其他高新技术的新发展,大幅度修改实验堆的设计。2001年,欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计(EDA)及主要部件的研制,预计建造费用为50亿美元(1998年价),建造期8至10年,运行期20年。其后,三方分别组织了独立的审查,都认为设计合理,基本上可以接受。

2002年,欧、日、俄三方以EDA为基础开始协商ITER计划的国际协议及相应国际组织的建立,并表示欢迎中国与美国参加ITER计划。中国于2003年1月初正式宣布参加协商,其后美国在1月末由布什总统特别宣布重新参加ITER计划,韩国在2005年被接受参加ITER计划协商。以上六方于2005年6月签订协议,一致同意把ITER建在法国核技术研究中心Cadarache,从而结束了激烈的"选址大战"。印度于2006年加入ITER协商。最终,七个成员国政府于2006年5月25日草签了建设ITER的国际协定。目前国际组织正在组建,总干事和副总干事人选已确定。还有一些国家也正在考虑参加ITER计划。

在ITER建设总投资的50亿美元(1998年值)中,欧盟贡献46%,美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%。根据协议,中国贡献中的70%以上由我国制造所约定的ITER部件折算,10%由我国派出所需合格人员折算,需支付国际组织的外汇不到20%。

作为聚变能实验堆,ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的"磁笼"中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体,产生接近电站规模的受控聚变能。

在ITER上开展的研究工作将揭示这种带有氘氚核聚变反应的高温等离子体的特性,探索它的约束、加热和能量损失机制,等离子体边界的行为以及最佳的控制条件,从而为今后建设商用的核聚变反应堆奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究,不仅将验证受控热核聚变能的工程可行性,而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。

ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能的必要一步,有可能直接决定真正聚变示范电站(DEMO)的设计和建设,并进而促进商用聚变电站的更快实现。

ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。其装置中心是高温氘氚等离子体环,其中存在15兆安的等离子体电流,核聚变反应功率达50万千瓦,每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型包套中,屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。

在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏虑器与真空室相连,可排出核反应后的废气。真空室穿在16个大型超导环向场线圈(即纵场线圈)中。

环向超导磁体将产生5.3特斯拉的环向强磁场,是装置的关键部件之一,价值超过12亿美元。

穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒(中心螺管),在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈,即极向场线圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。

上述系统整个被罩于一个大杜瓦中,坐落于底座上,构成实验堆本体。

在本体外分布4个10兆瓦的强流粒子加速器,10兆瓦的稳态毫米电磁波系统,20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。

整个体系还包括:大型供电系统、大型氚工厂、大型供水(包括去离子水)系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。

ITER本体内所有可能的调整和维修都是通过远程控制的机器人或机器手完成。

ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果,而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术,如:大型超导磁体技术,中能高流强加速器技术,连续、大功率毫米波技术,复杂的远程控制技术等等。

2013年9月25日(北京时间)消息,劳伦斯利弗莫尔国家实验室报告称,世界最大激光器、被称为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)正距离其目标越来越近,显示了一个可持续核聚变反应装置正在由梦想逐步成为现实。不过在设施达到高度稳定前,目前仍有一个显著障碍有待克服 [1]

在地球上,核聚变最先是在氢弹中大量产生的。在氢弹中,引爆用的原子弹所产生的高温高压,使氢弹中的聚变燃料挤压在一起,由于物质的惯性,在飞散之前产生大量聚变(也叫惯性约束核聚变)。只不过,氢弹爆炸威力巨大,人类无法控制它。

上个世纪60年代,利用该原理,前苏联科学家提出并证明了激光可以使氘氚发生聚变。直到2009年,耗资35亿美元的美国国家点火装置(简称NIF)终于让科学家看到了激光核聚变实现的可能性,人类寄希望于能从该实验室中获得“取之不尽,用之不竭”的清洁核能。

这个世界上最大的激光聚变机器坐落在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个特大号“仓库”里。在装置内部,激光器会产生192条激光束,射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃,并产生一亿摄氏度左右的高温,从而触发氢原子聚变,释放大量能量。激光和氢靶丸的碰撞过程极其短暂,仅持续数几个纳秒(1纳秒等于10亿分之1秒)。为了达至临界点或者说点燃反应堆,激光器的设计能量为1.8兆焦耳。

早在去年,据《自然》杂志报道,被称为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)所发射出的激光已经达到了2兆焦,也是激光向核聚变能源迈出的第一步。

近日,据BBC新闻网10月7日报道,在9月末进行的一次聚变实验中,聚变反应释放出的能量超过了氢燃料球吸收的能量在全世界聚变装置中取得了里程碑突破。不过,记者尚未在劳伦斯利弗莫尔国家实验室官方网站上看到该消息。

事实上,NIF项目并非一帆风顺,NIF研究团队点火目标的推进曾一推再推。据《科学美国人》报道,去年美国国家科学院专家小组的一份中期报告显示,NIF激光触发核聚变的方法并不被十分看好。

王晓方告诉《中国科学报》记者,激光器的发射重复率还很低,无法持续聚变产能。“这是因为,目前激光器所使用的玻璃放大介质无法满足既在单位时间内能发射更多次数,又保证激光束的质量。”

目前,NIF的激光器每天只能发射几次。只有当每秒钟发生三四次甚至更多的核聚变且连续不断地进行下去,并且每次聚变的能量增益达到10~100倍,才能实现实用化。

“为了提高激光发射的重复率,科学家也在研发新型激光器,比如半导体激光泵浦,还有光纤激光器等。”但王晓方表示,这些激光器尚不能做成足够的规模,激光输出的能量还不足以来实现聚变点火。“目前,还没有找到提高激光发射重复率从而持续聚变产能的好办法。”

据了解,近日,NIF研究团队已经将激光对准了真正的燃料球,实验更进一步,但点火靶球却在极端的温度和压力下屡次过早破裂。不难看出,美国国家点火装置的麻烦始终与新进展同在。 [7]

我国核聚变能研究开始于60年代初,尽管经历了长时间非常困难的环境,但始终能坚持稳定、逐步的发展,建成了两个在发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究所,即中国核工业集团公司所属的西南物理研究院(SWIP)及中国科学院所属的合肥等离子体物理研究所(ASIPP)。为了培养专业人才,还在中国科技大学、大连理工大学、华中科技大学、清华大学等高等院校中建立了核聚变及等离子体物理专业或研究室。科技部依托中国科大成立“国家磁约束聚变堆总体设计组”,中国科大核科学技术学院院长万元熙院士担任组长。

我国核聚变研究从一开始,即便规模很小时,就以在我国实现受控热核聚变能为主要目标。从上世纪70年代开始,集中选择了托克马克为主要研究途径,先后建成并运行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中国科技大学)、HT-6B(ASIPP)、HL-1(SWIP)、HT-6M(ASIPP)及中型HL-1M(SWIP)。SWIP建成的HL-2A经过进一步升级,有可能进入当前国际上正在运行的少数几个中型托克马克之列。在这些装置的成功研制过程中,组建并锻炼了一批聚变工程队伍。我国科学家在这些常规托克马克装置上开展了一系列十分有意义的研究工作。

自1991年,我国开展了超导托克马克发展计划(ASIPP),探索解决托克马克稳态运行问题。1994年建成并运行了世界上同类装置中第二大的HT-7装置,最近初步建成了首个与ITER位形相似(规模小很多)的全超导托克马克EAST。超导托克马克计划无疑为我国参加ITER计划在技术与人才方面做了进一步的准备。

"聚变-裂变混合堆项目"于1987年正式列入我国"863计划",目的是探索利用核聚变反应的另一类有效途径,其中主要安排了一些与未来核聚变堆有关技术的研发。2000年由于诸多原因,"聚变-裂变混合堆项目"被中止,但核聚变堆概念设计以及堆材料和某些特殊堆技术的研究仍在两个专业院所继续进行。

尽管就规模和水平来说,我国核聚变能的研究和美、欧、日等发达国家还有不小的差距,但是我们有自已的特点,也在技术和人才等方面为参加ITER计划做了相当的准备。这使得我们有能力完成约定的ITER部件制造任务,为ITER计划做出相应的贡献,并有可能在合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术,达到我国参加ITER计划总的目的。

我国是一个能源大国,在本世纪内每年的能耗都将是数十亿吨标煤。由于条件限制,在长时间内我国能源生产都将以煤为主,所占比例高达70%。考虑到我国社会经济的长期可持续发展,我们必须尽快用可靠的非化石能源(如核裂变或核聚变能、太阳能、水能等)来取代大部分煤或石油的消耗。因此,必然应该在能力许可范围内积极开展核聚变能的研究,尽可能地参加国际核聚变能的大型合作研发计划(如ITER计划)。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。

核聚变能的研发对每个大国都是必要的,但又是一个长期、大规模、高投入而且又是高风险的过程。我国核聚变研究目前距离发达国家还有很大差距,还须经过若干年的努力才能接近"实验堆"建设和研究阶段。如果采取单独建造实验堆,则又须花费上百亿资金和十数年时间,我国和国际的差距会进一步扩大。因此,参加ITER计划,参加ITER的建设和实验,从而全面掌握ITER的知识和技术,培养一批聚变工程和科研人才,使其成为我国聚变研究的一部分。再配合国内安排必要的基础研究、聚变反应堆材料的研究、聚变堆某些必要技术的研究等,则有可能在较短时间、用较小投资使我国核聚变能研究在整体上进入世界前沿,为我国自主地开展核聚变示范电站的研发奠定基础。

由中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST(原名HT--7U)核聚变实验装置(又称“人造太阳”)2006年成功完成首次工程调试,2007年3月通过国家验收。我们在一些战略高技术和产业关键核心技术取得重大突破,取得了一批重大原创成果,一些学科领域走到世界前列。科技创新能力大幅提升,有力支撑了中国经济社会发展。 [8]

我们还必须看到,ITER本身就是当代各类高新技术的综合,中国科技人员长期、全面地参加ITER的建设和研究工作,直接接触和了解各类技术,必将有利于我国高新技术及相应产业的发展。事实上,参加ITER计划已开始推动我国超导技术与相关产业的发展。由于ITER计划本身的重要性,我国作为完全的伙伴全面参加ITER计划,就成为我国参加国际科技合作走上更高层次的一个明显的标志。这也在国际上展示了我国在科技领域坚持"开放"的决心。我国聚变研究的中心目标,是促使核聚变能在可能的条件下,尽早在中国实现。因此参加ITER计划应该也只能是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分。国家将在参加ITER计划的同时支持与之配套或与之互补的一系列重要研究工作,如托克马克等离子体物理的基础研究、聚变堆第一壁等关键部件所需材料的开发、示范聚变堆的设计及必要技术或关键部件的研制等。参加ITER计划将是我国聚变能研究的一个重大机遇。

12日从中科院合肥物质科学研究院获悉,由中科院等离子体所研制的国际热核聚变实验堆计划(ITER)极向场导体采购包第二阶段PF5导体日前运抵法国福斯港,交付ITER现场。

国际热核聚变实验堆计划,简称ITER计划,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。由中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七方共同实施。据悉,此次中方交付ITER现场中国制造任务的首件产品,也是ITER七方中首件交付ITER现场的大件产品。

PF导体采购包由中科院等离子体所负责研制。ITERPF导体是外方内圆的异型导体,其制造工艺复杂,包括焊接工艺、无损检测技术、导体成型及收绕技术等。等离子体所的研究院先后完成铠甲及焊缝无损检测、导体成型及收绕型技术等研发,并完成各种接收测试。2013年4月25日导体首先经过500公里的陆路从合肥到达上海港,然后经过10000海里从上海港口到达福斯港,到达离福斯港100公里外的ITER总部,整个行程共38天。

美、法等国在20世纪80年代中期发起ITER计划,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆,为人类输送巨大的清洁能量。中国是参与这个计划的七方成员之一,承担了ITER装置近10%的采购包。 [1]

国际热核聚变实验堆计划参与各方2005年6月28日在莫斯科作出决定,世界第一个热核聚变实验堆将在法国建造。

据路透社2005年6月29日报道,国际热核实验聚变堆计划最早于1985年提出,其最早参与国有欧盟15个成员国以及加拿大、俄罗斯和日本。美国于1998年宣布退出该计划之后,于2003年2月18日重新加入这项大型国际计划,中国也于同一天正式加入该项计划。2001年,反应堆设计以及一些关键原型的制造完成之后,各方就开始为了如何实施该计划而进行多次磋商。其中,反应堆建在何处尤其引人注目。最初,欧盟的西班牙、法国以及日本和加拿大都提出了申请。

2003年2月19日,国际热核聚变实验堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡作出决定,将于2013年前建成世界上第一个热核反应堆,地点将在西班牙、法国、加拿大和日本4处候选地址中选择。经过多轮较量,西班牙和加拿大退出,日本提出的在青森县六所村和法国提出的在南部马赛附近的卡达拉舍建造这个热核反应堆的方案脱颖而出,成为最终入围的两个候选地址,这两个候选地址各有特色,分别得到国际热核聚变实验堆计划不同参与方的支持。

日本提出的理由是,其修建地点靠近港口,并离一个美国军事基地很近。日本政府并且表示愿意承担国际热核聚变实验堆计划30%的费用。法国政府则强调,卡达拉舍有着现成的研究设施,那里的气候条件更好。在这场引人注目的争论之中,美国、日本和韩国主张在日本六所村修建,而欧盟、俄罗斯和中国支持在法国修建。2004年1月29日,中国外交部发言人章启月在例行的记者招待会上表示,中国支持法国建设国际热核聚变堆项目。

美国总统布什在成功连任后出于政治考虑改变了立场。他认为,如果无法赢得欧洲的支持,美国将更加难以从伊拉克泥潭中脱身,因此在反应堆选址问题上采取中立态度,这使日本一下失去了重要的政治砝码。

此后,法国政府坚持宣称,法国核能研究实力雄厚,管理水平高,选择法国是欧盟各国科技部长经过综合考虑的结果。2004年1月12日,法国总理拉法兰在全国及外国记者联谊会上表示,欧洲人有可能单独实施国际热核聚变实验堆计划,尽管与美国握手言和的机会始终存在。法国声言单干的底气一是来自整个欧盟的支持,二是因为法国的核能技术研究在世界上享有盛誉,法国全国发电量的75%来自核电,竞争力强大。2005年3月,欧盟再次声明,欧盟已决定无论与日本的谈判是否成功,今年年底都将在法国开工建设国际热核聚变实验堆。

在此之后,围绕选址的争执日益开始朝着对法国有利的方向发展。日本政府的态度也从毫无商量的可能转变为一切好商量,出现了明显松动。2005年5月2日,欧盟轮值主席国卢森堡的经济、外贸大臣让诺克雷克在巴黎说,日本已同意与欧盟就国际热核聚变实验堆建在欧洲的可能性进行讨论,而这种讨论此前一直被日本拒绝。6月22日,日本《每日新闻》报道称,日本已通知欧盟,将放弃此前与法国就国际热核聚变实验堆项目的选址之争,这一决定将在28日于莫斯科召开的有该项目参与的六方会谈上正式宣布。报道称日本政府是在得到了丰厚的“交换条件”许诺之下才作出这一“让步”的。日本“放弃”竞争的交换条件是,建在法国卡达拉舍的国际热核聚变实验堆项目总部中将有高达20%的工作岗位提供给日方,此外,日本的原料供应商也将分得该项目的一大杯羹:在整个项目中,日方投资约占10%。据悉,欧盟为了抢得国际热核聚变;实验堆对日本作出了巨大让步:欧盟承担46亿欧元总建设费用中的40%。其余的60%分别由法国、美国、日本、韩国、俄罗斯和中国各分摊10%。这样一来,欧盟等于是承担了总建设费用的一半。 [1]

国际聚变界普遍认为,今后实现聚变能的应用将历经三个战略阶段,即:建设ITER装置并在其上开展科学与工程研究(有50万千瓦核聚变功率,但不能发电,也不在包层中生产氚);在ITER计划的基础上设计、建造与运行聚变能示范电站(近百万千瓦核聚变功率用以发电,包层中产生的氚与输入的氘供核聚变反应持续进行);最后,将在本世纪中叶(如果不出现意外)建造商用聚变堆。我国将力争跟上这一进程,尽快建造商用聚变堆,使得核聚变能有可能在本世纪末在我国能源中占有一定的地位。

2012年4月19日,我国新一代“人造太阳”实验装置(EAST)中性束注入系统(NBI)完成了氢离子束功率3兆瓦、脉冲宽度500毫秒的高能量离子束引出实验。本轮实验获得的束能量和功率创下国内纪录,并基本达到EAST项目设计目标。这标志着我国自行研制的具有国际先进水平的中性束注入系统基本克服所有重大技术难关。

EAST装置辅助加热系统是国家“十二五”大科学工程,2010年7月正式立项,它是使EAST具有运行高参数等离子体的能力,从而可以开展与国际热核聚变反应堆密切相关的最前沿性研究的重要系统。EAST中性束注入系统完全由中国自行研制,涵盖了精密的强流离子源等多个科学技术领域。

我国“人造太阳”实验装置首获百秒长脉冲中性束

2013年1月5日,从中科院合肥物质研究院获悉,该院等离子体所承担的大科学工程“人造太阳”实验装置(EAST)又获重大实验成果,其辅助加热工程的中性束注入系统(NBI)在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出,初步验证了系统的长脉冲运行能力。

科学家们介绍说,本轮实验获得的长脉冲中性束引出,在国内尚属首次,标志着中国在中性束注入加热研究领域又迈出了坚实的一步。EAST装置辅助加热系统主要包括低杂波电流驱动系统、中性束注入系统这两大系统。

EAST中性束注入系统完全由中国自行研制,涵盖了精密的强流离子源、高真空、低温制冷、高电压及隔离技术、远程测控及等离子体和束诊断等多个科学技术领域。本轮实验中,中性束注入系统团队按实验计划仅利用10天的调试,即获得束能量30千电子伏、束流9安培、束功率约0.3兆瓦、脉冲宽度100秒的长脉冲中性束引出。实验在成功测试兆瓦级强流离子源性能的同时,也验证了NBI各子系统具备100秒的长脉冲运行能力。目前获得的实验结果具有里程碑性质,标志着中国自行研制的具国际先进水平的中性束注入加热系统已基本克服重大技术难关,为中性束注入系统在2013年投入EAST物理实验奠定了坚实基础。 [9]

中国聚变反应堆等离子约束时间增加十倍

可控聚变被认为能为人类带来无限的清洁能源,但过去几十年,在投入了无数资金之后,科学家取得的成就非常有限。然而,很多人仍然认为,继续投资带来的潜在回报是巨大的。

现在,位于合肥的中科院等离子体物理研究院的超导托卡马克实验装置EAST报告等离子约束时间取得了重大进步:等离子脉冲持续了超过30秒,是此前记录的10到20倍。30秒听起来不多,但你要知道等离子体温度超过一亿度,是太阳核心温度的五倍多。

中科院合肥物质科学研究院等离子体所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST正在进行的第十一轮物理实验近日再获重大突破:在纯射频波加热、钨偏滤器等类似国际热核聚变实验堆ITER未来运行条件下,获得超过60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体。EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造,基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、等离子体与壁相互作用物理、低动量条件下加热和电流驱动下输运、杂质输运和控制等问题,为实现长脉冲稳态高约束模等离子体奠定了基础。据介绍,高约束模是未来ITER的基本运行模式,为实现稳态运行并达到有效的偏滤器热量排除,ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。EAST是目前世界上唯一具备这两大特色的且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克,其稳态运行模式将为ITER和未来反应堆提供重要参考。 [10]


  


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