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全球最大“人造太阳”开始组装，它到底能干啥？

全球最大“人造太阳”开始组装，它到底能干啥？
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ITER项目图据“今日俄罗斯”
【全球最大“人造太阳”开始组装，它到底能干啥？】当地时间7月28日 ， 世界上最大的核聚变项目、国际热核聚变实验堆（ITER）计划安装启动仪式在法国南部卡达拉舍举行 。
长期以来 ， 核聚变一直被视为是一种取之不竭的清洁安全能源选项 。 ITER项目旨在模拟太阳发光发热的核聚变过程 ， 探索受控核聚变技术商业化可行性 。
ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一 ， 由欧盟、中国、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯共同资助 。 如果项目成功 ， 它将为人类获取无限量、无浪费、无污染的能源铺平道路 ， 有助于解决地球面临的气候危机 。
经过几十年的酝酿和孵化 ， 如今 ， ITER项目终于来到了“里程碑式”节点——为期近五年的组装阶段 。 一旦组装顺利完成 ， 地球上将诞生首个工业规模的核聚变装置 。
核聚变：“能量的圣杯”
核聚变 ， 是太阳和恒星的能量来源 。 核聚变概念的出现可以追溯到20世纪20年代 ， 此后科学家们一直在这一领域不断深入探索 。
目前的传统核能获取依赖于裂变 ， 即重原子核被分解产生较轻的原子核 。 而核聚变则是将两种轻原子核结合为一种重原子核 ， 在此过程中会释放出巨大的能量 ， 但相比于核裂变 ， 核聚变不会产生核辐射废料 ， 放射性极低 。
核聚变如此诱人的一个原因是 ， 反应所需的燃料是一种极为容易获取且丰富的资源——氢元素 。 这种元素无处不在 ， 可以从海水和锂中提取出来 ， 足以为人类提供数百万年的无限量能源 。 一个菠萝大小的氢元素相当于10000吨煤 ， 足以为2300个家庭提供一年的电力 。
视频来源：新华网
由于核聚变的燃料现成、丰富 ， 不存在熔解的物理可能性 ， 输出也不会产生二氧化碳 。 核聚变又被称为地球“能量的圣杯” 。 当世界迫切需要替代能源来减少气候变化带来的严重影响时 ， 它可以帮助生产零排放的能源 。
然而迄今为止 ， 核聚变在地球上作为一种发电方式 ， 很大程度上仍处于理论阶段 。 尽管科学家们已经成功实现了核聚变 ， 但仅限于很短的时间 ， 所产生的能量从未达到核聚变实际发生所需的能量 。 这是因为 ， 产生可行的聚变能源仍然没能被攻克 。
要实现核聚变 ， 等离子体——一种由带电粒子（比如北极光）组成的气态物质——必须被加热到1.5亿摄氏度的极高温度 ， 这比太阳核心的温度还要高十倍 。 迄今为止 ， 还没有哪个反应堆能够做到这一点 。
多国合力托起“人造太阳” ， 核聚变研究迎来里程碑
据新华网报道 ， 正因如此 ， 为了解决人类未来的能源问题 ， 1985年ITER计划倡议提出 ， 工程设计于2001年完成 。 2006年 ， 中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯及美国七方共30多个国家正式启动了ITER计划 ， 建造“人造太阳”托卡马克型聚变实验堆 ， 为以后核聚变发电站的可行性进行验证 。
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托卡马克装置模型图据央视新闻
经过35年的集思广益、规划和前期生产 ， ITER终于来到了为期近5年的组装阶段 。 昨日（28日） ， ITER项目最核心部分托卡马克装置的安装工程正式启动 ， 核聚变领域迎来了一个重要里程碑 。
托卡马克装置于20世纪60年代在苏联诞生 ， 又被称为“人造太阳” 。 这是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置 ， 中央是一个环形真空 ， 外面围绕着线圈 。 通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场 ， 将其中的等离子体加热到很高温度 ， 以达到受控核聚变的目的 。 时至今日 ， 托卡马克仍是工业规模核聚变的首选 ， 也是ITER的核心 。
据美国CBS报道 ， 为了这一里程碑式的时刻 ， ITER的全球各国研发团队及承包商已耗费了数年的时间 ， 从零开始制造数以百万计的部件 。 ITER托卡马克重达23000吨 ， 直径超30米 ， 由数百万个独立部件组成 ， 许多部件由各国团队在本国进行制造和部分组装 ， 然后运输至位于法国南部的ITER总部 。
“一点点地建造这个机器就像在一个复杂的时间轴上组装3D拼图 ， 项目管理、系统工程、风险管理和机械装配物流的每一个方面都必须像打造瑞士手表一样精确 。 ”ITER组织总干事贝尔纳·比戈在一份新闻稿中说 。
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托卡马克装置杜瓦底座的吊装工作 ， 由中核集团牵头的中法联合体在今年5月28日完成图据《大众机械师》杂志
《大众机械师》杂志形容道 ， ITER组装阶段更像是一个极具“突破性”的仪式 ， 这个宏伟计划终于开始以物理形式聚集在一起了 。 为此 ， 各国为ITER量身定制了一切必需条件 ， 包括位于法国普罗旺斯的总部建筑 ， 以及从最近的水域通往工厂的道路 。
今年5月28日 ， 托卡马克的第一个组件、最外层的杜瓦底座就已成功安放完成 。 据央视新闻报道 ， 这项工作是由中核集团牵头的中法联合体团队完成 。 2019年9月 ， 中核集团牵头的中法联合体团队正式与ITER组织签订了托卡马克主机TAC-1安装标段工程合同 。 这是托卡马克主机最重要的核心设备安装工程 ， 装配部件数以万计 ， 且精度要求高、标准严苛 。
不仅如此 ， 中国科研机构还为实验堆研制了大型超导磁体线圈等关键设备 。 据红星新闻此前报道 ， 中国承担了9%的研发任务 ， 覆盖了ITER的部分核心部件研发 。 目前 ， 中国的采购包不管是研发的进度还是完成的质量 ， 都走在世界的前列 。
ITER组织表示 ， 该组织在人力和物力方面 ， 一直以来都得到中方强有力的支持 。 中方不但输送了大批优秀技术人才 ， 在托卡马克的组件供应方面 ， 中方也一直以严谨的态度兑现承诺 。
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托卡马克装置杜瓦底座央视新闻报道截图
ITER组织总干事贝尔纳·比戈在7月28日的启动仪式发布会上说 ， 中国以快速的工程反应和科研进步 ， 成为各合作方中兑现国际承诺的典范 。
可望“改变游戏规则” ， 商业化仍是马拉松
ITER的实验能证明实现可行核聚变的能力 ， 并在此过程中为科学家们提供技术诀窍 ， 帮助他们在世界各地加快商业核聚变工厂的建设 。
根据ITER此前发表的公报 ， 通过对项目进展的评估 ， 托卡马克装置有望在2025年12月获得第一束等离子体 。 在那之后 ， ITER将有几年时间进行微调 ， 并在2030年达成完全产生等离子体的目标 。
哥伦比亚大学应用物理学教授迈克尔·莫埃尔称ITER组装的开始是“国际科学的一个里程碑 ， 也是通过共享资源、专业知识和对丰富、清洁能源未来的愿景而可能取得的伟大成就的展示 。 ”
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ITER正在组装的设备图据ITER官网
“ITER将会是一个‘改变游戏规则’的实验 ， 因为它建造得足够大 ， 可以像发电厂那样释放核聚变能量 ， 而且它是第一个释放核聚变能量超过注入核聚变能量的实验 。 ”莫埃尔教授说道 。
英国原子能管理局（UKAEA）的首席执行官伊恩·查普曼教授向BBC新闻表示：“使用核聚变是为了改变世界——在为子孙后代提供清洁能源方面发挥巨大作用 。 我们都知道我们需要ITER来取得成功 。 它是核聚变商业化道路的一个里程碑 。 ”
ITER团队表示 ， 在未来 ， 商业核聚变工厂将设计一个更大的等离子室 ， 可提供10到15倍的电力 。 例如 ， 一个2000兆瓦的核聚变发电厂将为200万家庭提供电力 。 而建造和运营一个商业核聚变工厂的成本 ， 预计将与传统核电站成本相近 ， 但不再有成本巨大且长期遗留的核废物处理问题 。
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“第一束等离子体”插图图据ITER官网
莫埃尔教授则指出 ， 即便ITER实验进展顺利 ， 聚变能源普及也可能仍需要几十年的时间 。 “即使有越来越多的私营企业入局 ， 以及强有力的国际支持 ， 聚变能源商业化的竞赛也是一场马拉松 ， 而不是短跑 。 ”
ITER实验将如何进行？
在安装调试工作顺利结束后 ， ITER将如何为人类提供“无污染、无碳、安全、实际上不产生废料的能源”？
据美国CBS报道 ， 产生聚变能的过程既极其复杂 ， 又简单 。 首先 ， 将几克氘（重氢）和氚（超重氢）气体注入托卡马克巨大的环状腔体中 。 然后将氢加热 ， 直到它变成云状的电离等离子体 。 10000吨的超导磁体对等离子体的流动及其形状进行控制 。
当等离子体达到1.5亿摄氏度时 ， 聚变就发生了 。 在聚变反应中 ， 极少量的质量被转化为巨大的能量 ， 因为超高能量的中子从磁笼中逃逸出来 ， 以热的形式传递能量 。 热能被在托卡马克壁上的循环水吸收 ， 形成蒸汽 。 在商业工厂里 ， 蒸汽涡轮机将产生电力 。
在大约四年半的组装后 ， ITER的科学家和工程师希望在2025年12月发射“第一束等离子体” 。 如果一切按计划进行 ， ITER的工厂将产生大约500兆瓦的热能 。 如果ITER持续运行并与电网相连 ， 将能够产生约200兆瓦的电力 ， 足够20万户家庭使用 。
红星新闻采访人员王雅林徐缓
来源：红星深度
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