展望聚变能源的未来

国际热核实验反应堆（ITER）项目是一项大规模实验，旨在证明聚变作为新能源的科学技术可行性，并为其工业化开发铺平道路。该组织宣布，到 2020 年底，该项目的 70% 以上已经完成，用于首次等离子操作。

下一个重大步骤将是在 2025 年，届时预计将产生第一个过热等离子体，然后在 2035 年达到全功率，以证明有可能产生比目前使用的更多的能量。过程。

该项目源于2006 年由七个合作伙伴签署的ITER协议：中国、欧洲、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。他们共同管理 ITER 组织，该组织负责协调项目，并汇集财政和科学资源。Fusion for Energy（F4E）是欧盟组织，负责欧洲对ITER的贡献和聚变能的发展。

F4E 的项目经理 Ferran Albajar 解释说，该项目将使科学家能够研究一种“燃烧等离子体”，该等离子体将提供比现在使用的更高的聚变功率输出（500 MW）和更长的时间（约 7 分钟）。 16 MW 和几秒钟）。同样重要的是，它将使工程师能够为未来的聚变工厂验证技术。

ITER 基于托卡马克的概念，其中高磁场将氢同位素限制在容器中，通过高温转化为等离子体。

聚变能

化石燃料、核能和可再生能源都是我们熟悉和利用的所有类型的能源。鉴于我们雄心勃勃的气候变化目标，欧盟和世界其他地区必须将注意力转向更清洁的能源，以实现绿色转型。另一方面，仅投资于可再生能源可能不足以确保经济可靠和安全的能源供应。

推动恒星的能量称为聚变。我们的太阳是一个巨大的聚变装置——我们太阳系中最大的。氢原子在太阳核心中以惊人的速度运动。氢原子结合形成一个较重的氦原子。这个过程会以光和热的形式释放大量能量。

“我们需要两种氢同位素来产生聚变反应：氘和氚；然而，因为它们在等离子体中的原子核都带正电，所以它们相互排斥，”Albajar 解释说。“由于太阳的巨大引力，氢原子在 1500 万摄氏度的温度下点燃。然而，由于地球上的引力较小，它们必须被加热到高达 1.5 亿摄氏度的温度才能碰撞和融合。”

氘是一种可能存在于海水中的矿物质。“我们有资源可以继续运行数百万年，”Albajar 补充道。“从地壳中收集的锂可用于制造氚。”

从 500 升水中提取的部分足以满足普通公民一生的能源需求。在那之后，水仍然可以饮用。氢同位素融合的结果是用于气球的氦气。

通过无数次测试，几十年来，科学家们一直试图弄清楚如何创造这种能量。尽管这个概念是基本的，但他们遇到了许多障碍。氢原子在 100 万摄氏度时粉碎，产生等离子体，一种“带电气体”。

他们提出了托卡马克的概念，这是一个包含使用高磁场的热等离子体的腔室。这就是它们如何产生等离子体，即物质的第四种状态。

ITER项目

托卡马克的甜甜圈形真空室是它跳动的心脏。在内部，由于强烈的热量，气态氢燃料转化为等离子体——一种带电的热气体。等离子体提供了轻元素可以结合并提供能量的环境，无论是在恒星中还是在聚变装置中。

等离子体中的带电粒子由超强磁线圈成形，科学家们利用磁线圈使加热的等离子体远离结构的壁，并且密度足以使粒子融合。为了开始操作，真空室中的空气和杂质被排空。然后将辅助、容纳和调节等离子体的磁体系统充电，然后引入气体燃料。当高电流通过容器时，气体会发生电分解，变得电离（电子从原子核中移除）并产生等离子体。

等离子粒子在充电和碰撞时开始升温。当前的技术可以达到聚变温度（1.5 亿至 3 亿摄氏度）。当粒子被“激发”时，它们会发生碰撞，克服它们固有的电磁排斥和融合。聚变会释放出巨大的能量。

ITER 将成为世界上最大的托卡马克，其等离子体室容积是目前运行中的最大机器的 10 倍。

ITER 基地的建设工作于 2007 年在法国南部的卡达拉什开始，占地 42 公顷，现在安置托卡马克装置，正在组装各种建筑物、基础设施和发电厂。ITER 是最复杂的工程项目之一，将需要数百万个组件来组装这个重达 23,000 吨的巨型反应堆。

为了从磁约束等离子体产生聚变能并最终产生电能，我们需要将燃料（氢同位素）加热到约 1.5 亿摄氏度，并保持其热度、清洁和形状，以便保持聚变反应并安全产生热量消散。“为了实现这一目标，在超导磁体、低温学、材料、真空、诊断、控制和等离子体加热等领域需要一系列令人印象深刻的最先进技术，”他说。

ITER 将使用超导磁体来限制等离子体（环形场线圈）并保持其形状和稳定性（极向场线圈）。他们将建造一个磁笼，使热等离子体远离机器的容器。在68,000 A的驱动下，磁场可能达到11.8特斯拉，几乎是地球磁场的250,000倍。每块磁铁大小为17×9米，重320吨，相当于一架空客A350。

“加热和供电系统将在不同设备需要时整体或局部提高超热等离子体的功率，”Albajar 说。“电子回旋加速器 [EC] 电源系统就是其中之一，如下所述。”

其他重要部件包括真空容器，它将是一个双壁容器，用于在真空中容纳聚变反应；低温系统，将冷却磁铁并达到理想的真空条件；远程处理系统将使用复杂的人在回路机器人技术和虚拟现实进行操作，以提供对 ITER 设备内部组件的维护、检查和更换，以及将监测托卡马克等离子体性能的诊断系统。

电子回旋加速器是等离子体加热系统之一。“欧洲与在电力电子领域有着悠久传统的瑞士制造商 Ampegon 合作，已经交付了四台额定功率为 6 MW 的电源，这些电源将用于点亮第一台 ITER 等离子体，”Albajar 说。“该公司在射频放大器方面拥有良好的业绩记录，已成功转让其在高压和大电流电力系统方面的专业知识。”

EC 可视为大型微波炉。它从电网获取电力并将其转换为受控电压，然后再将其馈送到射频源（称为回旋管），从而产生加热 ITER 等离子体的固体电磁波。从理论上讲，这看起来很简单，但有一个问题：电压必须很高（额定值为 55 kV）、稳定且能够快速变化。“为了保护 ITER 上的 EC 组件，它们必须在 10 µs 内关闭，”Albajar 说。“欧洲负责提供神奇的‘火柴’，点亮世界上最大的等离子屏幕。运行八个高压主电源所需的能量相当于运行一所住宅所需的能量。”

与此同时，Ampegon 还提前交付了用于 EC 和离子回旋加热系统的开关设备，这些设备将从电网输送电力，为射频系统供电。“设备正在储存中，在接下来的几年里，它将在 ITER 中安装和调试，”他补充道。

中性光束是另一个主要的等离子加热系统。“在 ITER 中，中性射束注入器将在等离子体核心注入高能粒子，以压碎现有的等离子体并提高其温度，”Albajar 说。此外，粒子将以 1 MV 加速，然后被中和以通过限制等离子体的磁场。

融合技术

从早期的科学论证到实现长聚变等离子体持续时间或接近等离子体收支平衡（当等离子体释放至少与加热它们所需的能量一样多时），近几十年来磁约束聚变的发展进展令人印象深刻。然而，在地球上发生聚变的条件，以及获得持续的正能量增益，仍然极其难以实现。

“需要世界各地各方的许多技术突破才能建造 ITER；将需要其他人来建造 DEMO [示范发电厂，由欧洲联盟 EUROfusion 设计的原型聚变反应堆]，”Albajar 说。从另一个角度来看，国际合作是收集大型复杂实验项目科学技术知识的关键。这些主要由公共资金资助的项目也受到发展新清洁能源和应对气候变化的政治意愿的制约。. Albajar 说：“不应忘记，已经建立了几项私人计划来探索聚变能的潜力。” “ITER在很大程度上为将聚变能置于聚光灯下提供了一定的动力。此外，参与生产聚变组件的公司和实验室看到了他们的参与带来的切实好处。

“就整体进展而言，我们已经完成了第一次等离子操作所需的 72.1% 和超过第一次等离子操作所需的 57.7%，”他补充道。“在建筑和基础设施方面，我们在各个方面都取得了进展。ITER 装置所在的托卡马克大楼已经开始接收第一批组件。ITER 装置的组装于去年正式开始，并且正在进行中。欧洲的设备在现场持续交付。例如，10个TF线圈中的第5个已经到货，机器上安装了两个欧洲制造的极向场线圈，低温装置已经通过了压力测试，即将开始调试。就大局而言，我们的计划是证明聚变能是一种替代能源，

如果 ITER 项目实现其目标，DEMO 将是 ITER 实验反应堆的理想继承者，应该会发电。从 ITER 到 DEMO 意味着将机器连接到电网并产生 300-MW 至 500-MW 的净电力。虽然 ITER 必须证明可以从等离子体中获得比消耗更多的能量，但 DEMO 必须证明聚变发电。

审核编辑 黄昊宇