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科普:國際熱核聚變實驗堆為“何方神物”?
發布時間:2020-08-19     作者:馮玉婧   來源:新華網   分享到:

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃重大工程安裝啟動儀式28日在法國舉行,本次啟動的是國際熱核聚變實驗堆托卡馬克裝置安裝工程,該舉引來全球關注。那什么是ITER計劃?托卡馬克裝置又是什么?中國在ITER計劃中發揮了怎樣的作用?

問:什么是ITER計劃?意義何在?

答:國際熱核聚變實驗堆計劃簡稱ITER計劃,是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一,由中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實施。自1985年首次提出ITER的想法以來,成千上萬的工程師和科學家為ITER的設計做出了貢獻。

該計劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望,旨在模擬太陽發光發熱的核聚變過程,探索核聚變技術商業化的可行性,對于從根本上解決人類共同面臨的能源問題、環境問題和社會可持續發展問題具有重大意義。

ITER不會發電,但是它將解決關鍵的科學和技術問題,被視為“當今專注于等離子體物理研究的核聚變機器和明天的核聚變電廠之間的實驗步驟”。

問:什么是托卡馬克裝置?

答: 托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置。它的中央是一個環形真空,外面圍繞著線圈。通電時其內部會產生巨大螺旋形磁場,將其中的等離子體加熱到很高溫度,以達到受控核聚變的目的。

術語“托卡馬克”來自俄語首字母縮寫,指的是“帶有電磁線圈的環形真空室”。托卡馬克由蘇聯研究機構在20世紀60年代末首次開發出來,如今已在世界范圍內被采用,成為最有前景的磁約束核聚變裝置。ITER計劃的托卡馬克裝置將成為世界上最大的托卡馬克裝置,其體積是目前運行的最大托卡馬克裝置的兩倍,其等離子體反應室容積也是其10倍。

問:什么是核聚變?

答:核聚變是太陽和恒星的能量來源。在這些星體核心的巨大熱量和重力下,氫原子核相互碰撞,聚合成更重的氦原子,并在此過程中釋放出大量能量。

20世紀的聚變科學確定了實驗室環境中最有效的核聚變反應是兩個氫同位素氘和氚之間的反應。在實驗室中實現聚變必須滿足3個條件:極高的溫度、足夠的等離子體粒子密度以及足夠的限制時間。在托卡馬克裝置內部,在極高的熱量和壓力的影響下,氣態氫燃料變成了等離子體,該環境為氫原子發生核聚變并產生能量創造了條件。

問: ITER的下一個里程碑是什么?

答: 根據ITER計劃此前發表的公報,通過對項目進展的評估,托卡馬克裝置有望在2025年首次開機,這也是ITER數十年運行計劃的第一步。氘氚聚變實驗預計于2035年開始。

問:中國發揮了哪些作用?

答:中國自2006年開始參與ITER計劃。作為七方成員之一,中國承擔了ITER裝置近10%的采購包。中科院等離子體物理研究所是中方任務的主要承擔單位,自2009年以來主持了超導導體、校正場線圈、磁體饋線系統等制造任務,目前大部分采購包部件已實現全國產化。

2019年9月,中核集團牽頭的中法聯合體團隊正式與ITER組織簽訂托卡馬克主機TAC-1安裝標段工程合同。作為該標段的第一個重要工程節點,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。

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