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聚变|科学家开始组装世界上最大的核聚变实验装置

2020年7月28日 ， 在花费了预算3倍的资金以后 ， 科学家们终于可以开始在法国南部圣波莱迪朗克（Saint-Paul-les-Durance）组装一台巨型机器 。
聚变|科学家开始组装世界上最大的核聚变实验装置
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这个疯狂的项目被称为国际热核聚变实验反应堆（ITER） ， 它将成为世界上最大的磁约束等离子体物理实验设施 ， 是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆 。
几个月以来 ， 各种的组件从世界各地的生产基地运抵这里 。 科学家们将竭尽全力完成这个“世界上最大的拼图” 。
核聚变
核聚变是轻原子核融合成为更重的原子核 ， 这种方式为太阳和其他恒星提供动力 ， 使得太阳能够燃烧上百亿年 。
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当爱因斯坦写出了震古烁今的质能方程以后 ， 我们知道核聚变能够产生的能量是化学能的数百万倍 。 比如一个菠萝大小的核燃料块产生的能量相当于1万吨煤 。
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用于核聚变的燃料 –氘 ， 是氢的同位素之一 ， 在海水中约占氢总量的1/6000 。 用于产生氚的锂也有相当大的储量 。 足够供应人类使用数百万年 。
如此高的储量和能量产生效率 ， 足以解决任何人类对能量的需求 。
氘氚聚变的产物是惰性元素氦 ， 聚变过程只产生易于处理的短寿命放射性物质 ， 相对传统的裂变核电站更安全 。
ITER项目
人类已经可以实现不受控制的核聚变 ， 比如氢弹 。 但是挑战在于如何束缚这种能量 ， 并加以利用 。 核聚变产生的温度高达至少上千万摄氏度 ， 没有任何材料能够承受的了 。
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科学家想到利用超导体产生极其强大的磁场来约束能量 。 ITER就是这样一种装置 ， 它采用了托卡马克设计 ， 这是由前苏联提出的方案 。
ITER项目于2006年由35个国家启动 ， 其中包括美国、俄罗斯、中国、英国、瑞士、印度、日本、韩国和欧盟的27个成员国 。
ITER将是人类历史上规模最大的国际科学合作项目 ， 有望帮助人类到2050年实现获得清洁、安全的能源 。 实验的目标是证明可以在商业规模上持续且安全地产生聚变能 。
根据计划 ， 2021年将完成设备安装 ， 2025年开始等离子体实验 ， 2035年开始进行氘-氚聚变实验 ， 目标是产生500兆瓦的热能 ， 或者连续200兆瓦的电能 。
三维拼图
这个托卡马克核聚变反应堆总共将包含约100万个部件 ， 比如功能强大的超导磁体 ， 其高度高达四层楼 ， 每层重360吨 。
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大约有2300人在现场工作 ， 以将机器组装在一起 。
主要部件的巨大尺寸和重量、系统装配的微小公差、制造商的多样性、紧张的时间表 ， 所有这些因素结合在一起 ， 使ITER成为一个工程和物流方面的巨大挑战 ， 每一个方面都必须精确地执行 。
ITER项目比原定计划晚了五年 ， 其初始预算翻了三倍 ， 达到约200亿欧元 。
ITER参数
等离子体大半径：6.2米
等离子体小半径：2.0米
等离子体容量：840立方米
等离子体电流：15.0兆安
轴向环形磁场强度：5.3特斯拉
聚变功率：500兆瓦
等离子体维持时间：>400秒
【聚变|科学家开始组装世界上最大的核聚变实验装置】能量倍增因数（Q值）：>10
ITER建设
2006年11月 ， ITER的7个合作伙伴启动这个项目 。 不久之后 ， 挖掘机和铲车开始进场工作 。
接下来的几年里 ， 由物理学家和工程师组成的国际团队完成了这台机器的设计 ， 并开始将部件制造授予工业界 。
2017年7月ITER完成了低温恒温器底座和底部柱体的安装 ， 为托卡马克的安装铺平了道路 。 低温恒温器由印度制造 ， 体积高达1.6万立方米 ， 直径和高度都接近30米 ， 重达3850吨 。
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低温恒温器底座
今年3月 ， 欧洲核聚变能源机构对ITER厂房进行了最后的修饰 ， 这是一个用于安装机器部件的巨大大厅 。
4月 ， 从意大利和日本运来了前两个环形线圈和超导磁体 ， 它们各重360吨 。
6月下旬 ， 合肥制造的环向场线圈运抵 。
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环向场线圈
由韩国运来的真空容器的第一个部分已经抵达法国 ， 并将很快运送到工作现场 。
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真空容器的第一个部分
至此 ， 整个建筑和基础设施已经完成了75% ， 随着ITER的7个成员送来更多的装置和部件 ， ITER的安装步伐正在提速 。
是时候把世界上最大的拼图拼在一起了 。
7月28日 ， 国际热核聚变实验堆托卡马克装置安装工程正式启动 。
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ITER装配阶段启动仪式
到2024年年底 ， 低温恒温器的合拢将标志着第一个组装阶段的结束 。
ITER机器将进行为期一年的综合调试和测试 ， 并在2025年底完成第一个等离子体测试 。 这将是一次重要试验 ， 用以验证磁场和关键系统的功能 。
最初的低功率氢等离子体只持续几毫秒 ， 之后将会增加功率和持续时间 。
ITER的最终目标 ， 是生产10倍的聚变能增益系数（Q值=10） ， 即从50MW的输入功率上生产出约500MW的聚变功率 ， 聚变脉冲持续时间为400~600秒 。
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反应堆温度将达到约1.5亿摄氏度 ， 比太阳核心温度高10倍 ， 这能够重现发生在恒星中心的聚变过程 。
ITER与中国
2006年中国作为发起国加入了ITER 。
ITER项目预计总耗资约为200亿欧元 ， 其中欧盟承担约45.5% ， 剩余的费用由中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国均摊（各约9.1%） 。 但实际上各国的支出都不是以现金的方式 ， 而是以完成设施所需的组件、系统和建筑部件等形式支付 。
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我国承担了相当多的ITER建设工程
ITER 项目的基本原则是各成员相互分享新增知识产权 ， 不在成员之外的国家传播 。 中国加入 ITER 项目的好处是 ， 以 10% 的投入 ， 享受 100% 的知识产权 。
最后 ， ITER仍然只是一个实验验证项目 ， 即使 ITER 取得了成功 ， 还需要大量的工作才能够商业运行 。 因此 ， 即使是最乐观的估计 ， 商业化核聚变也需要30年才有可能实现 。


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