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澎湃新聞特約撰稿 | 張恒

最近有條新聞刷爆了朋友圈，“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃重大工程安裝啟動(dòng)儀式7月28日在法國(guó)該組織總部舉行，國(guó)家主席習(xí)近平致賀信。”

那么，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃到底是何方神圣？

與此同時(shí)，一系列的伴隨性問(wèn)題也冒出來(lái)了，比如：什么是核聚變，什么是熱核聚變，什么是受控核聚變，什么是托卡馬克裝置？

在介紹ITER計(jì)劃之前，大致了解核聚變研究和及其歷程是有必要的。

首先，按照定義：核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核（例如氦）時(shí)放出巨大能量。因?yàn)榛瘜W(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué)，而核聚變是發(fā)生在原子核層面上的，所以核聚變不屬于化學(xué)變化。

值得一提的是，在此過(guò)程中，物質(zhì)沒(méi)有守恒，因?yàn)橛幸徊糠终诰圩兊脑雍说奈镔|(zhì)被轉(zhuǎn)化為光子（能量）。

這一過(guò)程遵循愛因斯坦質(zhì)能方程，正因?yàn)楹司圩儙?lái)的巨大能量，核聚變是給活躍的或“主序的”恒星提供能量的過(guò)程。

那么核聚變是怎么發(fā)生的呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，兩個(gè)輕核在因都帶正電荷而彼此排斥，然而當(dāng)這兩個(gè)輕核的能量足夠高，且迎面相遇，它們就能相當(dāng)緊密地聚集在一起，從而能夠克服庫(kù)侖斥力而發(fā)生核聚變反應(yīng)。

圖1 核聚變示意圖

提一句，大家聽得最多的核聚變通常是熱核聚變，實(shí)際上與之對(duì)應(yīng)的還有冷核聚變。

冷核聚變是指在接近常溫常壓和相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備條件下發(fā)生核聚變反應(yīng)。

冷核聚變雖然提出多年，但卻一種備受質(zhì)疑，篇幅所限，本文主要關(guān)注熱核聚變。

前文提到，核聚變是給活躍的或“主序的”恒星提供能量的過(guò)程，實(shí)際上熱核聚變是宇宙中一種普遍的能量形式，比如，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核聚變反應(yīng)爐。

這也正是為何我們的受控核聚變研究被通俗的稱為“人造太陽(yáng)”的緣故。

正如很多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，比如互聯(lián)網(wǎng)一樣，人工核聚變技術(shù)同樣始于軍事技術(shù)研發(fā)，它就是大名鼎鼎的氫彈。

簡(jiǎn)單梳理一下熱核聚變研究的時(shí)間軸：

1920年，亞瑟·愛丁頓提出氫氦聚變可能是恒星能量的主要來(lái)源。

1932年，在盧瑟福的核嬗變實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，馬克·奧利芬特完成了氫同位素的實(shí)驗(yàn)室聚變。

1930年代，漢斯·貝特提出了恒星核聚變主循環(huán)的理論。

1940年代初，作為曼哈頓計(jì)劃的一部分，用于軍事目的的核聚變開始被研究。

1951年，在核試驗(yàn)中完成了核聚變。

1952年11月1日，在常春藤麥克氫彈試驗(yàn)中首次進(jìn)行了大規(guī)模核聚變。

正如裂變技術(shù)從原子彈發(fā)展到民用裂變電站的歷程一樣，氫彈實(shí)驗(yàn)成功后，自1950年代起，人類開始研究用于民用目的的受控?zé)岷司圩儭?/span>

如前文提及，目前人類已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸；實(shí)際上，也可以觸發(fā)可控核聚變，只是輸入的能量大于輸出、或發(fā)生時(shí)間極短。

但是要想聚變能可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，并且實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。

那么如何才能獲取穩(wěn)定持續(xù)可控的核聚變能量輸出呢？

“聚變?nèi)胤e”概念有必要了解一下。

聚變的第一步是要使燃料處于等離子體態(tài)，也即進(jìn)入物質(zhì)第四態(tài)。

等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體，也被稱之為“電漿”。

在等離子體中，由于高溫，電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，為核子的碰撞準(zhǔn)備了條件。

當(dāng)?shù)入x子體的溫度達(dá)到幾千萬(wàn)度甚至幾億度時(shí)，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同時(shí)還有足夠的密度和足夠長(zhǎng)的約束時(shí)間，這種聚變反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)進(jìn)行。

因此，等離子體的溫度、密度和約束時(shí)間三者乘積稱為“聚變?nèi)胤e”，當(dāng)它達(dá)到10的22次方時(shí)，聚變輸出的功率等于為驅(qū)動(dòng)反應(yīng)而輸入的功率，超過(guò)這一基本值反應(yīng)才能自持進(jìn)行。

按照三重積的量級(jí)，不難想象要達(dá)成熱核聚變反應(yīng)，需要特殊的反應(yīng)容器以獲取和維持足夠的反應(yīng)條件。

從現(xiàn)階段的研究來(lái)看，在地球上要?jiǎng)?chuàng)造聚變的條件，主要采用磁約束聚變和慣性約束聚變兩種不同途徑。

慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）是利用激光或激光產(chǎn)生的 X 射線作驅(qū)動(dòng)源，均勻地加熱裝填氘氚(DT)燃料的微型球狀靶丸外殼表面，形成高溫高壓等離子體并向外噴射，產(chǎn)生反沖壓力，快速地向內(nèi)壓縮靶丸未加熱的部分，使DT主燃料層密度達(dá)到每立方厘米幾百克質(zhì)量，并在DT燃料芯部形成高溫高密度熱斑，點(diǎn)燃聚變反應(yīng)。

燃燒從中心向外迅速地在被壓縮的主燃料層中傳播，靶丸自身的慣性約束高溫高密度燃燒需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，進(jìn)行充分的燃燒后，放出大量聚變能，獲得能量增益。

而磁約束核聚變（Magnetic confinement fusion, MCF）則是利用磁場(chǎng)與高熱等離子體來(lái)引發(fā)核聚變反應(yīng)的路線。

磁約束聚變的作法是，先加熱燃料，使它成為等離子體形態(tài)，再利用磁場(chǎng)，拘束住高熱等離子體中的帶電粒子，使它進(jìn)行螺線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步加熱等離子體，直到產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。

磁約束核聚變的發(fā)展程度比慣性約束聚變要好，并且通常被認(rèn)為更有前途用于能源生產(chǎn)。

但是隨著尺寸增加，產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀況也比較嚴(yán)重。

目前國(guó)際上主流的方案是使用托卡馬克（Tokamak）技術(shù)來(lái)達(dá)成磁約束核聚變。

托卡馬克這個(gè)詞是轉(zhuǎn)寫俄語(yǔ)單詞токамак，是一個(gè)縮寫：它的名字Tokamak來(lái)源于環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）。指的是“帶有電磁線圈的環(huán)形真空室”。

托卡馬克最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫(kù)爾恰托夫研究所的物理學(xué)家伊戈?duì)枴に?，安德烈·薩哈羅夫，和列夫·阿齊莫維齊等人在1950年代發(fā)明的，如今已在世界范圍內(nèi)被采用，成為最有前景的磁約束核聚變裝置。

它的中央是一個(gè)環(huán)形真空，外面圍繞著線圈。通電時(shí)其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大螺旋形磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達(dá)到受控核聚變的目的。

圖2 經(jīng)演化后的托卡馬克裝置線圈基本構(gòu)造

圖3 托卡馬克裝置真空室

托卡馬克裝置的環(huán)形設(shè)計(jì)是其主要結(jié)構(gòu)特征，首先向環(huán)形真空室內(nèi)充入一定氣體，在微波等預(yù)電離手段的作用下，產(chǎn)生少量離子，然后通過(guò)感應(yīng)或者微波、中性束注入等方式，激發(fā)并維持一個(gè)強(qiáng)大的環(huán)形等離子體電流。

這個(gè)等離子體電流與外面的線圈電流一起，產(chǎn)生一定的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體約束住，并使其與外界盡可能地絕熱。

這樣，等離子體才能被感應(yīng)、中性束、離子回旋共振、電子回旋共振、低雜波等方式加熱到上億度的高溫，以達(dá)到核聚變的目的。

20世紀(jì)70年代后期到80年代中期，世界各國(guó)陸續(xù)建成了五個(gè)大型的托卡馬克裝置，分別是：

1982-1997年: 美國(guó)的TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor，已拆解）。

1980年: 通用原子能公司的DIII-D。

1985年: JT-60, 日本茨城縣那珂市。

1983年: 歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（Joint European Torus）

1988-2005年：俄國(guó)莫斯科庫(kù)爾恰托夫研究所T-15。

隨著研究的深入，大家意識(shí)到需要建造新一代托卡馬克裝置來(lái)提升“三重積”，我國(guó)的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）正是在這個(gè)大背景下建造成功的。

EAST原名HT－7U，又被稱為東方超環(huán)，是中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所在安徽省合肥市建設(shè)的世界第一個(gè)全超導(dǎo)磁體托卡馬克核聚變反應(yīng)試驗(yàn)性裝置，屬于中國(guó)國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程。

EAST融入了幾十年來(lái)的聚變研究成果，比如DIII-D的D型截面展示的良好約束效果，T15所提出的超導(dǎo)線圈優(yōu)勢(shì)等等。

自2006年建成第一次放電以來(lái)，EAST取得了一系列里程碑式的成果：

2006年9月28日，EAST首次成功放電，這是全球首個(gè)投入運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置；

2016年1月28日凌晨零點(diǎn)26分，EAST成功實(shí)現(xiàn)了電子溫度超過(guò)5千萬(wàn)度、持續(xù)時(shí)間達(dá)102秒的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電，這是國(guó)際托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置上電子溫度達(dá)到5000萬(wàn)度持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的等離子體放電。

2016年11月2日消息，EAST獲得超過(guò)60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體放電。EAST因此成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

2017年7月3日夜晚，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。這標(biāo)志著EAST成為了世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

2018年11月12日，EAST首次實(shí)現(xiàn)加熱功率超過(guò)10兆瓦，等離子體儲(chǔ)能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度。

總的來(lái)說(shuō)，EAST的一系列里程碑成果表明中國(guó)磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面，開始引領(lǐng)國(guó)際前沿，這對(duì)ITER的建設(shè)和運(yùn)行具有重大的科學(xué)意義。

基于以上所有介紹后，再來(lái)談ITER應(yīng)該是不突兀了。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是國(guó)際核聚變研究的巨型工程，是目前正在建設(shè)的世界上最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆，位于法國(guó)南部的卡達(dá)拉舍。

ITER始于1985年，里根-戈?duì)柊蛦谭虺h蘇聯(lián)，歐盟（通過(guò)歐洲原子能共同體），美國(guó)和日本平等的參與在1988年-1998年的初步設(shè)計(jì)。后來(lái)俄羅斯取代了前蘇聯(lián)的位置，美國(guó)曾于1999年到2003年之間退出，加拿大于2003年退出，而中國(guó)和韓國(guó)則加入?yún)⑴c開發(fā)研究，印度在2005年12月也加入了該計(jì)劃。

2006年5月24日，參加這一項(xiàng)目的歐盟、美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯和印度7方代表草簽了一系列相關(guān)合作協(xié)議，標(biāo)志著這項(xiàng)計(jì)劃開始啟動(dòng)。

ITER的使命是展示聚變發(fā)電的可行性，并證明它可以不造成負(fù)面影響。

但是需要明確的是ITER不發(fā)電。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其目標(biāo)是：

1. 產(chǎn)生聚變?cè)鲆嬉蜃観為10的等離子體。

2. 產(chǎn)生Q值超過(guò)5的穩(wěn)態(tài)等離子體。

3. 維持480秒的穩(wěn)態(tài)聚變脈沖。

4. 聚變等離子體可自持。

5. 驗(yàn)證氚增殖(Tritium breeding)概念。

6. 完善中子屏蔽/熱轉(zhuǎn)換技術(shù)。

ITER的主要技術(shù)探索任務(wù)有：

1. 探索新的加熱方式與能量損失機(jī)制；

2. 用環(huán)向超導(dǎo)磁體產(chǎn)生5.3特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖的維持，改善等離子體的約束性能；

3. 研究等離子體邊界行為及控制策略，防御大尺度等離子體破裂，探索等離子體密度極限；

4. 研制防高能中子輻照材料，研制在惡劣工況下長(zhǎng)壽命的第一壁材料；

5. 解決反應(yīng)室加料排廢、主動(dòng)冷卻、連續(xù)供電功能，探索聚變堆的最佳化設(shè)計(jì)。

圖4 ITER設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

ITER的工程建設(shè)時(shí)間軸和現(xiàn)狀1998年，ITER工程設(shè)計(jì)獲批。

2006年， ITER項(xiàng)目被正式同意并被資助，預(yù)計(jì)2008年將開始建設(shè)，預(yù)計(jì)成本為100億歐元（128億美元），并在十年后完成。

2013年，ITER被核算已有許多拖延和預(yù)算超支。

2015年，ITER項(xiàng)目審查得出結(jié)論，時(shí)間軸需要往后延長(zhǎng)至少6年。

2016年，伊朗原子能組織完成了伊朗參加ITER的初步工作。

2017年，完成了低溫容器底座和底部柱體的安裝，為托卡馬克的安裝鋪平了道路。至此，ITER已經(jīng)完成了 65% 的工作。

2020年7月28日，ITER托卡馬克裝置安裝工程啟動(dòng)。

圖5 ITER托卡馬克裝置安裝工程在法國(guó)啟動(dòng)

ITER計(jì)劃的托卡馬克裝置將成為世界上最大的托卡馬克裝置，其體積是目前運(yùn)行的最大托卡馬克裝置的兩倍，其等離子體反應(yīng)室容積也是其10倍。

根據(jù)ITER計(jì)劃此前發(fā)表的公報(bào)，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)展的評(píng)估，托卡馬克裝置有望在2025年首次開機(jī)產(chǎn)生第一炮等離子體，這也是ITER數(shù)十年運(yùn)行計(jì)劃的第一步。

而氘氚聚變實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)于2035年開始。

說(shuō)到這里，ITER在聚變能甚至是能源領(lǐng)域的重要性已經(jīng)毋庸多言。

我國(guó)作為2006年參與ITER計(jì)劃的七方成員之一，承擔(dān)了ITER裝置近10%的采購(gòu)包任務(wù)。

而中科院等離子體物理研究所正是中方任務(wù)的主要承擔(dān)單位，自2009年以來(lái)主持了超導(dǎo)導(dǎo)體、校正場(chǎng)線圈、磁體饋線系統(tǒng)等制造任務(wù)。

更值得一提的是，目前大部分采購(gòu)包部件已實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化。

除了中科院等離子體所和核工業(yè)西南物理研究院這些研究單位之外，中國(guó)的企業(yè)也逐漸參與到ITER的工程建設(shè)中來(lái)。

比如，2019年9月，中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體團(tuán)隊(duì)正式與ITER組織簽訂托卡馬克主機(jī)TAC-1安裝標(biāo)段工程合同。

作為該標(biāo)段的第一個(gè)重要工程節(jié)點(diǎn)，ITER的杜瓦底座（托卡馬克裝置壓力容器的底座）吊裝工作于今年5月28日完成。

在國(guó)際核聚變研究中，很長(zhǎng)一段時(shí)間，美國(guó)、日本和歐盟等保持著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此一起被納入國(guó)際核聚變的第一陣營(yíng)。

而中國(guó)在過(guò)去二十年的發(fā)展中，則被視為第二陣營(yíng)中崛起最快的國(guó)家，不諱言，已經(jīng)躋身第一陣營(yíng)。

實(shí)際上，中國(guó)加入ITER本身的目的就是要通過(guò)參加ITER裝置的建造和運(yùn)行，全面掌握磁約束核聚變研究和技術(shù)成果，鍛煉、培養(yǎng)一支高水平聚變科研和工程技術(shù)人才隊(duì)伍；帶動(dòng)國(guó)內(nèi)其他相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)我國(guó)核聚變能源的研究發(fā)展。

隨著我國(guó)對(duì)核聚變研究的持續(xù)支持，下一個(gè)十年，或更長(zhǎng)時(shí)間，中國(guó)核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）的設(shè)計(jì)甚至是建設(shè)工作將會(huì)給聚變能行業(yè)帶來(lái)更強(qiáng)的中國(guó)聲音。（作者系國(guó)內(nèi)核聚變領(lǐng)域研究人員）