國際熱核聚變實驗反應堆

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國際熱核融合實驗反應堆
International Thermonuclear Experimental Reactor
File:ITER Logo NoonYellow.svg
File:ITER participants.svg
三十五個參加的國家
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成立時間2007年10月24日，​18年前​（2007-10-24）
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服務地區Module:Wikidata第446行Lua錯誤：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
會員
File:Flag of the People's Republic of China.svg 中國
File:Flag of Europe.svg 歐盟

透過歐洲原子能共同體的會員:[1]

File:Flag of India.svg 印度
File:Flag of Japan.svg 日本
File:Flag of South Korea.svg 南韓
File:Flag of Russia.svg 俄羅斯
File:Flag of the United States.svg 美國

Partners:
File:Flag of Australia.svg 澳洲
File:Flag of Canada (Pantone).svg 加拿大
File:Flag of Kazakhstan.svg 哈薩克

File:Flag of Thailand.svg 泰國
總幹事
Bernard Bigot
董事
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重要人物
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收入
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捐款Module:WikidataIB第718行Lua錯誤：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
員工數Module:WikidataIB第718行Lua錯誤：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
標語新能源之路（The way to new energy）
獎項Module:Wikidata第446行Lua錯誤：attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
網站www.iter.org
國際熱核融合實驗反應堆(ITER)
File:ITER Exhibit (01810402) (12219071813) (cropped).jpg
ITER的托卡馬克裝置的小型模型
類型托卡馬克
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技術規格
大半徑6.2 m
等離子容量840 m3
磁場11.8 T (toroidal)
6 T (poloidal)
等離子體加熱功率50 MW
融合功率500 MW
持續放電時間記錄up to 1000 s
歷程
建造日期2013–2025年

國際熱核聚變實驗反應堆（英語：International Thermonuclear Experimental Reactor，縮寫：ITER）是國際核聚變研究和巨型工程，將成為世界上最大的磁約束等離子體物理學實驗，這是目前正在建設世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆，鄰近於法國南部的卡達拉舍設施[2]。ITER工程的目標是從等離子體物理實驗研究，到大規模電力生產的核聚變發電廠的期待已久的轉變。「ITER」在拉丁文意為「道路」，因此這個實驗的縮寫「ITER」也意味着和平利用核聚變能源之路。

它建立在由TFTR（英語：Tokamak Fusion Test Reactor）、歐洲聯合環狀反應堆（JET）、JT-60、T-15（英語：T-15 (reactor)）、EAST和KSTAR等裝置所引導的研究之上，並將顯著的超越所有前者。此專案預期將持續30年：10年用於建設，20年用於運行，總花費大約100億歐元。

該專案是由七個成員實體資助和運行，歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國。歐盟作為ITER設施的主辦方，貢獻的費用有45％左右，其他六方各貢獻約9％[3][4][5]。2016年，ITER組織與澳洲國家核聚變機構簽署了技術合作協議，使該國可獲得ITER的研究成果，以換取ITER機器選定部分的建設[6]。

ITER托卡馬克綜合設施的建設始於2013年[7]，至2015年6月，建築成本已超140億美元[8]。截至2021年5月，ITER對第一等離子體的完成率接近75%，並將於其後數年開始嘗試啟動反應堆。預計於2025年正式開始等離子體實驗，2035年進一步開始進行全氘 - 氚融合實驗[9]。

背景[編輯]

核聚變發電有可能提供足夠的能量，以滿足不斷增長的需求，和以永續的方式做到這一點，並且對環境相對較小的影響。

核聚變有許多潛在的吸引力。首先，它的燃料氫的同位素是相對豐富的，必要的同位素燃料之一——氘，可從海水中提取，而另一種同位素燃料——氚，也可能會被使用在核聚變反應本身產生的中子來生成。此外，相對於傳統的核反應堆所產生的污染物，它的其他放射性廢料產物的壽命很短。

在2006年11月21日，七個成員正式同意資助創造核聚變反應堆[10]。該計劃預計將持續30年 —— 10年建造，和20年運行。ITER最初預計將耗資約50億歐元，但是，原材料價格的上漲和所看到的最初設計的變化，這一數額已經超過三倍而達到了160億歐元[11]。反應堆預計需花費10年時間建造並計劃在2019年完成。地點在法國的卡達拉舍，並已經開始採購大型部件[12]。

核聚變世界記錄是被保持在1997年的歐洲聯合環形加速器（Joint European Torus，縮寫JET），輸出是16MW，總輸入24MW（融合能量增益因子Q值=0.67），持續不到一秒鐘。國際熱核實驗堆的設計，是生產10倍的回報（Q值=10），從50MW的輸入功率上生產出約500MW的融合功率，長脈衝持續時間為400~600秒[13]，通過在其約840立方米的反應室融合約0.5g氘/氚混合物。雖然ITER計劃預計將產生（在熱的形式）的能量比消耗的來加熱等離子體到融合溫度的能量高出10倍以上，它所產生的熱量將不被用於產生任何電力[14]。但是作為在歷史上所有的融合實驗中的第一個產生淨能源的，這將為可以這樣的機器做準備之路。

歷史[編輯]

File:President Ronald Reagan and Soviet General Secretary Gorbachev at The First Summit in Geneva Switzerland - DPLA - b534f3d00bb05c3cc293789b180d2116.jpg
列根和戈爾巴喬夫在1985年日內瓦首腦會議（英語：Geneva Summit (1985)）。

國際熱核聚變實驗反應堆開始於1985年，列根-戈爾巴喬夫[15][16]倡議[16][17]的蘇聯，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年的初步設計階段。 這個專案下一階段的合作包括建設一個磁核聚變研究的示範反應堆。當時，蘇聯、歐盟、美國、和日本都在持續進行磁核聚變研究。進行下一步的核聚變研究將超出了任何主要國家的預算，並且國際合作是很有益的。

經過早期的概念和工程上的設計階段，2001年在國際原子能機構的主持下產生了一個可被接受的詳細設計，ITER成員投入了6.5億美元研發資金用來進行實用性的研究。後來俄羅斯取代了前蘇聯的位置，美國曾於1999年到2003年之間退出，加拿大於2003年退出，而中國和韓國則加入參與開發研究，印度在2005年12月也加入了該計劃。

2006年5月24日[18]，參加這一專案的歐盟、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議，標誌着這項計劃開始啟動。歐盟承擔50%的費用，其餘6方分別承擔10%，超出的10%用於支付建設過程中由於物價等因素造成的超支。11月21日[19]，參加國際熱核聚變實驗反應堆計劃的7方代表在法國總統府正式簽署了聯合實驗協定及相關文件。

2007年9月24日，中國作為第七個參與國批准了該協定，這意味着三十天後即2007年10月24日開始，國際熱核聚變實驗反應堆合作協定正式開始實施，國際熱核實驗反應堆組織也於當天正式成立。

2020年7月28日，ITER 反應堆正式進入最後五年組裝階段，法國總統馬克龍表示，世界上最偉大的進步，往往源自於大膽的賭注與坎坷之路[20][21]。

目標[編輯]

File:Energie de liaison par nucléon.svg
核聚變產生的能量極大抵過10萬座核分裂式核電廠

國際核聚變實驗堆的使命是展示核聚變發電的可行性，並證明它可以不造成負面影響。具體而言，該專案的目標是：

  • 由核聚變加熱而即時產生多於所提供的輔助加熱十倍的熱能（融合能量增益因子為10）。
  • 產生一個融合能量增益因子Q值超過5的穩定狀態的等離子體。
  • 維持480秒的核聚變脈衝。
  • 可能點燃「燃燒的」（自我維持的）等離子體。
  • 開發核聚變發電廠所需的技術和程式：包含超導磁體（以俄國T-15（英語：T-15 (reactor)）為領先），及遙控技術（由機械人實現）。
  • 為了驗證氚增殖(Tritium breeding)概念。
  • 完善中子遮擋/熱轉換技術（大部分在D+ T核聚變反應的能量被以快中子的形式釋放）。

反應堆的規格[編輯]

計劃中的等離子體的參數[22]：

  • 等離子體大半徑：6.2m
  • 等離子體小半徑：2.0m
  • 等離子體容量：840m3
  • 等離子體電流：15.0MA
  • 軸向環形磁場強度：5.3T（忒斯拉）
  • 融合功率：500MW
  • 等離子體維持時間：>400秒
  • 能量倍增因數（Q值）：>10

（來源：www.iter.org）

時間軸和現狀[編輯]

File:ITER site 2018 aerial view (41809720041).jpg
ITER場地的鳥瞰圖，在2018年
File:ITER construction in 2018 (41809718461).jpg
ITER的建設狀況，在2018年
File:Iter 2.png
ITER場地的鳥瞰圖，在2020年

1978年，歐共體，日本，美國和蘇聯加入了由國際原子能機構（IAEA）主持的國際托卡馬克反應堆（INTOR）研討會，以評估磁融合的準備進展到實驗電力反應堆（experimental power reactor，縮寫：EPR）階段，以確定必須進行的進一步的研發，並通過概念設計來確定這種EPR的特性。 每個參與國的數百名融合科學家和工程師參加了關於EPR要求的托卡馬克約束概念的當前狀況的詳細評估，並在1980年初確定了所需的研發，並在1981年的年中制定了概念設計。

時間軸：

  • 在1985年推出，[23]ITER專案正式被同意並資助於2006年按照一個成本估算為€100億歐元（$128億美元）預測施工開始於2008年，10年後完成。[10]
  • 1988年概念設計活動執行從1988年[24]至1990年。
  • 1992年工程設計活動正式開始[25]。
  • 1998年。在6月，工程設計活動「最終設計」獲得批准[26]。
  • 2001年。在6月， 「成本削減」「ITER-FEAT」設計得到了同意[27]。
  • 2006年。 ITER專案被正式同意並被資助，預計2008年將開始建設，預計成本為100億歐元（128億美元），並在十年後完成。[10]
  • 然而，在2013年，該專案的運行已有許多拖延和預算超支。這一設施現在仍預計沒有開始運營直到2027年 - 在最初預期的11年後。[9]
  • 2013年5月，ITER反應堆土木工程合約由法國萬喜公司投得，隨即動工。
  • 在2014年2月，《紐約人》雜誌公佈了ITER管理評估報告，列出11必需的建議，例如：「創建專案文化」，「灌輸核安全文化」，「發展一個現實的ITER專案計劃」和「簡化並減少官僚作風」。[28]美國考慮退出，但2015年仍然資助ITER。[29]
  • 2015年11月，專案審查得出結論，時間表可能需要延長至少6年;（例如，2026年的第一個等離子體）[30]。
  • 2016年伊朗原子能組織完成了伊朗參加ITER的初步工作[31]。
  • 2019年7月完成了低溫恆溫器底座和底部柱體的安裝，為托卡馬克的安裝鋪平了道路。低溫恆溫器由印度製造，體積高達1.6萬立方米，直徑和高度都接近30米，重達3850噸。由於體積過大，低溫恆溫器分成了四部分：底座、底部柱體、上部柱體和頂蓋。至此，ITER已經完成了 65% 的工作。[32]
  • 2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆托卡馬克裝置安裝工程啟動[33]。
時間軸
日期 事件
2006-11-21 7個成員正式同意資助建造一個核聚變反應堆。[10]
2008 場地整理開始，ITER日程的開始。[34]
2009 場地整理完成。[34]
2010 托卡馬克建築的挖掘開始。[23]
2013 托卡馬克建築的施工開始。[34]
2015 托卡馬克組裝開始[35][36]，但時間表至少要延長六年[30]。
2017 組裝大廳準備好
2018-2025 組裝與集成：[37]
  • 2018年12月：混凝土支撐工作完成。[38]
  • 2019年7月：低溫恆溫器底座和底部柱體由零件組裝而成。[39]
  • 2020年11月（已計劃）：開始一起焊接真空容器[40]
  • 2022年6月（已計劃）：真空容器被安裝完成。[41]
  • 2023年11月（已計劃）：開始安裝中央螺線管[42]
2025
2035

已計劃：啟動氘-氚運行。[44]

成員[編輯]

File:ITER participants.svg
35個國家參加的ITER專案.
File:Cadarache (red dot) CIA World Factbook map.png
法國卡達拉舍的位置（紅點標記）。

當前成員[編輯]

地點[編輯]

2005年6月28日，參與實驗專案的中國、俄羅斯、歐盟、韓國、美國、日本在俄羅斯莫斯科最終簽訂協議，決定在法國南部普羅旺斯-阿爾卑斯-藍色海岸大區（Provence-Alpes-Côte-d'Azur）的卡達拉舍（Cadarache，位於馬賽附近）建造實驗反應堆。國際熱核聚變實驗反應堆設施的建設開始於2007年，而托卡馬克裝置本身的組裝被規劃開始於2015年[12]。

融合能源（英語：Fusion for Energy）（Fusion for Energy）是負責該專案的歐洲貢獻的歐洲聯盟機構，位於西班牙巴塞羅那。

融合功率[編輯]

File:ITER VacuumVessel.JPG
一個單元的等離子容器壁。

ITER將使用環形加速器產生溫度超過10億攝氏度的氫等離子體，它將產生大約5億瓦特（500 MW）的核聚變能量，維持大約500秒。相比較而言歐洲聯合環形加速器（Joint European Torus，縮寫：JET）的最高紀錄不過是 16 MW 維持了不到1秒。ITER將不會（直接）產生電力。

遠景[編輯]

ITER是介於當前的等離子體物理研究，和未來的核聚變發電站之間的試驗性步驟，將為在2025年建設第一座可商業運行的等離子發電設備做好技術準備。

這個計劃在其30年的運轉週期，預料會耗費大約100億歐元，因此該專案成為人類有史以來繼國際太空站之後第二昂貴的國際科學合作專案。

與ITER同時運行的專案是國際融合材料放射測試設施專案（International Fusion Materials Irradiation Facility，縮寫：IFMIF）。IFMIF用來測試未來開發核聚變電站所要用的一些材料，這些材料適合於在極端狀況下工作。ITER還計劃建成一座能夠發電的示範性發電站：示範發電站（英語：DEMOnstration Power Station）專案（Demonstration Power Station，縮寫：DEMO， 在英語中有「演示」的意思）。此後，一座原型電站將首次進行商用發電。

技術設計[編輯]

Drawing of the ITER tokamak and integrated plant systems

真空容器[編輯]

File:NIST Light Source Illuminates Fusion Power Diagnostics (5940503177).jpg
計劃中的ITER聚變反應容器部分橫截面圖

真空容器是ITER機器的核心部分：它是一個雙層壁鋼製容器，等離子體通過磁場被限制在其中。

ITER真空容器的尺寸將是以往任何融合容器的兩倍，重量將是其16倍：九個環面形狀扇形區域中的每一個都重約450噸。加上所有屏蔽和端口結構，總重量達5116噸。其外徑為19.4米（64英尺），內徑為6.5米（21英尺）。組裝完成後，整個結構的高度將達到11.3米（37英尺）。[45]

真空容器的主要功能是提供一個密封的等離子體容器。其主要部件包括主容器、端口結構和支撐系統。主容器為雙層壁結構，在60-毫米-thick（2.4-英寸）厚的殼體之間設有環向和極向加強筋，以增強容器結構。這些加強筋也構成冷卻水的流道。雙層壁之間的空間將填充不鏽鋼製成的屏蔽結構。容器的內表面將作為與包含增殖包層的增殖模塊的接口。這些模塊將屏蔽聚變反應產生的高能中子，部分模塊還將用於氚增殖。[45]

真空容器共有44個開口，稱為端口——18個上部端口、17個赤道端口和9個下部端口——用於遠程操作、診斷系統、中性束注入和真空抽氣。由於反應堆運行期間受到中子轟擊，停堆後反應堆內部會殘留放射性物質，因此需要進行遠程操作。[46]

在聚變反應開始之前，需要進行真空抽氣，以創造必要的低密度環境，其密度比空氣低約一百萬倍。[47]

增殖包層[編輯]

ITER將使用氘氚燃料。氘在自然界中儲量豐富，而氚則稀少得多，因為它具有放射性，半衰期僅為12.3年，地球上天然氚的儲量僅約3.5千克。[48] 由於氚的供應量如此之少，ITER測試的一個重要部件是增殖包層（英語：breeding blanket）（breeding blanket）。該部件位於真空室的端口處，用於測試通過與等離子體中子反應產生氚的過程。包層內存在多種產生氚的反應。[49] 鋰-6通過與慢化中子的(n,t)反應產生氚，而鋰-7則通過與高能中子的(n,nt)反應產生氚。[50][51]

增殖包層方案包括氦冷鋰鉛（HCLL）、氦冷球床（HCPB）和水冷鋰鉛（WCLL）方法。[52] ITER 將測試六種不同的氚增殖包層模型，稱為測試包層模塊（TBM），它們將採用相同的箱形幾何結構。[53] HCPB 方案中用作增殖球的材料包括偏鈦酸鋰(Lithium metatitanate)和Lithium orthosilicate。[54] 增殖材料的要求包括良好的氚生產和提取、機械穩定性和低放射性活化水平。[55]

磁體系統[編輯]

ITER基於磁約束聚變，利用磁場將融合燃料約束在等離子體中。ITER托卡馬克裝置中使用的磁體系統將是迄今為止建造的最大超導磁體系統。[56] 該系統將使用四種類型的磁體來實現等離子體約束：中心螺線管磁體、極向磁體、環向場線圈和校正線圈。 中心螺線管線圈高18米，寬4.3米，重1000噸。[57] 它將使用超導鈮錫材料，承載45 kA的電流，並產生超過13忒斯拉的峰值磁場。[58][59]

18個環向場線圈也將使用鈮錫材料。它們是迄今為止設計的最強大的超導磁體，標稱峰值磁場強度為11.8忒斯拉，儲存的磁能為41吉焦耳。[60] ITER的其他低場磁體（極向場和校正線圈）將使用鈮鈦作為其超導元件。[61]

批評和回應[編輯]

整個專案曾經歷包括綠色和平在內的環境組織的反對，他們認為ITER專案是「瘋狂而愚蠢的行為」[62]並宣稱「核聚變擁有核電站所有隱患，包括產生核廢料以及核泄漏的風險」。

但是依據物理數據，核聚變相較於核分裂，產生的廢料微乎其微，並且由氘和氚所反應而產生的是氦，不會產生溫室氣體或直接核廢料，僅會產生衣物等二等核廢料，在經過適當處理後便不會造成危害。[63]

類似的專案[編輯]

ITER的前身是歐洲聯合環形加速器（JET）[64]和Tore Supra（英語：Tore Supra）[65]。

其他規劃的及建議的聚變反應堆包括：

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

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