國際熱核聚變實驗堆(ITER)重達2.3萬噸，近30米高，將蔚為大觀。這座核聚變反應堆將位于一個占地180公頃的場地中心，配有輔助廠房和設備。ITER在拉丁語中意為“路”，其巨大規(guī)模將顯著超過目前正在運行的最大實驗聚變反應堆——位于英國的歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)和位于日本的歐洲-日本聯(lián)合裝置JT-60SA。
但是，ITER的潛力是什么?在一個小型化和最優(yōu)化的時代，為什么有必要建造一個如此巨大規(guī)模的研究裝置?
ITER的主要目標之一是證明核聚變反應可以產(chǎn)生比啟動反應過程所提供的能量多得多的能量——導致功率整體增加。ITER之類的反應堆被稱為托卡馬克(tokamaks)，它利用加熱系統(tǒng)、強磁體和其他裝置的組合，在超高溫等離子體中產(chǎn)生釋放能量的聚變反應。由此產(chǎn)生的磁場約束帶電粒子并使其圍繞環(huán)形反應堆容器旋轉(zhuǎn)，以便這些粒子能夠聚變并產(chǎn)生聚變能。
至于尺寸問題，較大的托卡馬克能提供更好的絕緣性，并將聚變粒子進行較長時間約束，因此比較小裝置產(chǎn)生更多的能量。
反應堆性能的一個重要指標是聚變功率增益，即產(chǎn)生的聚變功率與注入等離子體以驅(qū)動反應的功率之比率，用符號“Q”表示。
迄今，JET已從24兆瓦加熱功率產(chǎn)生16兆瓦聚變功率，實現(xiàn)的最佳增益Q值為0.67。然而，進行發(fā)電，還需要高得多的Q值。
發(fā)電的先決條件
在過去50年的聚變實驗中，聚變裝置的性能已提高了10萬倍，但要達到發(fā)電廠所需的性能水平，還需要進一步提高5倍。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員正在努力通過改變溫度、密度和約束時間來優(yōu)化等離子體工況。
其中一些改進是聚變實驗反應堆變得更大的結(jié)果。由于ITER的高度和半徑是JET的兩倍，其等離子體體積將增加10倍。ITER應用新穎設計和創(chuàng)新材料，還將整合一些有史以來最強大的等離子體加熱裝置。它的目標是，只需向等離子體注入50兆瓦的加熱功率，便在每個大約5～10分鐘的脈沖中產(chǎn)生500兆瓦的聚變功率，使Q值至少達到10。
雖然ITER的峰值性能將令人注目，但它只會在很短的時間內(nèi)達到。為了成為穩(wěn)定的電力來源，未來的核聚變電廠將需要持續(xù)運行。Q值為5代表臨界閾值，高出這個閾值，等離子體開始自加熱，以自行維持核聚變反應。為更好地了解如何實現(xiàn)這種自持反應，ITER的目標是在時間遠遠長于10分鐘，最終產(chǎn)生并保持Q值為5。
全球協(xié)作
ITER的35個參與國占世界人口的一半以上，占全球國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的85%。雖然在全球范圍內(nèi)正在進行許多其他較小規(guī)模的聚變實驗，但它們中的大多數(shù)仍然與ITER組織保持協(xié)調(diào)、合作或協(xié)作。
國際原子能機構(gòu)和ITER組織從一開始就有著密切的關系，特別是在核聚變研究、知識管理、人力資源發(fā)展以及教育活動和外聯(lián)方面。國際原子能機構(gòu)還協(xié)助ITER組織與國際原子能機構(gòu)成員國，包括未參與該項目的成員國分享他們在核安全和輻射防護方面的經(jīng)驗。今年，ITER組織將與法國原子能和可替代能源委員會一起，共同主辦第二十八屆國際原子能機構(gòu)聚變能會議。
希望ITER將證明聚變發(fā)電的科學和技術(shù)可行性，并根據(jù)其分階段研究計劃，在2025年開始進行首次實驗。全功率實驗將在2035年開始。如果成功，這些發(fā)展將是一個重要的里程碑，并將代表實驗研究和第一座核聚變示范電廠(或稱DEMO)之間的歷史性橋梁。設想中的DEMO將實現(xiàn)凈電能增益。DEMO型反應堆的多個初步概念已在考慮之中。如果一切按計劃進行，它們可能在本世紀中期投入運行。
(王玉薈譯)
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