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國際熱核聚變實驗反應堆

國際核聚變研究和巨型工程

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[1]。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。

國際熱核聚變實驗反應堆
International Thermonuclear Experimental Reactor
三十五個參加的國家
成立時間2007年10月24日
類型研究項目[*]、托卡馬克、大型項目
總部 法國普羅旺斯-阿爾卑斯-藍色海岸大區卡達拉舍
坐標43°42′28″N 5°46′39″E / 43.7077778°N 5.7773833°E / 43.7077778; 5.7773833
總幹事
Bernard Bigot
標語新能源之路（The way to new energy）
網站www.iter.org
國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)
ITER的托卡馬克裝置的小型模型
類型托卡馬克
位置43°42′27.69″N 05°46′35.52″E / 43.7076917°N 5.7765333°E / 43.7076917; 5.7765333
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
聚變功率500 MW
持續放電時間記錄up to 1000 s
歷程
建造日期2013–2025年

它建立在由TFTR（英語：Tokamak Fusion Test Reactor）、歐洲聯合環狀反應爐（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。此項目預期將持續30年：10年用於建設，20年用於運行，總花費大約100億歐元。

該項目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％[2][3][4]。2016年，ITER組織與澳大利亞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[5]。

ITER托卡馬克綜合設施的建設始於2013年[6]，至2015年6月，建築成本已超140億美元[7]。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 - 氚聚變實驗[8]。

背景

核融合發電有可能提供足夠的能量，以滿足不斷增長的需求，和以可持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[9]。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[10]。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[11]。

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（聚變能量增益因子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的聚變功率，長脈衝持續時間為400~600秒[12]，通過在其約840立方米的反應室聚變約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聚變溫度的能量高出10倍以上，它所產生的熱量將不被用於產生任何電力[13]。但是作為在歷史上所有的聚變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

 
里根和戈爾巴喬夫在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，里根-戈爾巴喬夫[14][15]倡議[15][16]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。 這個項目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[17]，參加這一項目的歐盟、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[18]，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 反應爐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[19][20]。

目標

 
核融合產生的能量極大抵過10萬座核分裂式核電廠

國際核融合實驗堆的使命是展示核融合發電的可行性，並證明它可以不造成負面影響。具體而言，該項目的目標是：

  • 由核融合加熱而即時產生多於所提供的輔助加熱十倍的熱能（聚變能量增益因子為10）。
  • 產生一個聚變能量增益因子Q值超過5的穩定狀態的電漿體。
  • 維持480秒的核融合脈衝。
  • 可能點燃「燃燒的」（自我維持的）電漿體。
  • 開發核融合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（由機器人實現）。
  • 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核融合反應的能量被以快中子的形式釋放）。

反應堆的規格

計劃中的等離子體的參數[21]：

  • 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（特斯拉）
  • 聚變功率：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

 
ITER場地的鳥瞰圖，在2018年
 
ITER的建設狀況，在2018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，以評估磁聚變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聚變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，[22] ITER項目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。[9]
  • 1988年概念設計活動執行從1988年[23]至1990年。
  • 1992年工程設計活動正式開始[24]。
  • 1998年。在6月，工程設計活動「最終設計」獲得批准[25]。
  • 2001年。在6月， 「成本削減」「ITER-FEAT」設計得到了同意[26]。
  • 2006年。 ITER項目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。[9]
  • 然而，在2013年，該項目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。[8]
  • 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》雜誌公布了ITER管理評估報告，列出11必需的建議，例如：「創建項目文化」，「灌輸核安全文化」，「發展一個現實的ITER項目計劃」和「簡化並減少官僚作風」。[27] 美國考慮退出，但2015年仍然資助ITER。[28]
  • 2015年11月，項目審查得出結論，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）[29]。
  • 2016年伊朗原子能組織完成了伊朗參加ITER的初步工作[30]。
  • 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。[31]
  • 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[32]。
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。[9]
2008 場地整理開始, ITER日程的開始。[33]
2009 場地整理完成。[33]
2010 托卡馬克建築的挖掘開始。[22]
2013 托卡馬克建築的施工開始。[33]
2015 托卡馬克組裝開始[34][35] ，但時間表至少要延長六年[29]。
2017 組裝大廳準備好
2018-2025 組裝與集成：[36]
  • 2018年12月：混凝土支撐工作完成。[37]
  • 2019年7月：低溫恆溫器底座和底部柱體由零件組裝而成。[38]
  • 2020年11月（已計劃）：開始一起焊接真空容器[39]
  • 2022年6月（已計劃）：真空容器被安裝完成。[40]
  • 2023年11月（已計劃）：開始安裝中央螺線管[41]
2025
2035

已計劃：啟動氘-氚運行。[43]

成員

 
35個國家參加的ITER項目.
 
法國卡達拉舍的位置（紅點標記）。

當前成員

地點

2005年6月28日，參與實驗項目的中國、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[11]。

聚變能源（英語：Fusion for Energy）（Fusion for Energy）是負責該項目的歐洲貢獻的歐洲聯盟機構，位於西班牙巴塞羅那。

聚變功率

 
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

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年的運轉周期，預料會耗費大約100億歐元，因此該項目成為人類有史以來繼國際空間站之後第二昂貴的國際科學合作項目。

與ITER同時運行的項目是國際聚變材料放射測試設施項目（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）項目（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。

設計圖

 

批評和回應

整個項目曾經歷包括綠色和平在內的環境組織的反對，他們認為ITER項目是「瘋狂而愚蠢的行為」[44]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，核融合相較於核分裂，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。[45]

類似的項目

ITER的前身是歐洲聯合環形加速器（JET）[46]和Tore Supra（英語：Tore Supra）[47]。

其他規劃的及建議的聚變反應堆包括：

參見

參考文獻

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外部連結

 
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