史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造

科学
史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造
麻省理工科技评论 2020-07-30

2020-07-30

“人造太阳”,或将使核聚变发电成为现实
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“人造太阳”,或将使核聚变发电成为现实

人类目前最具野心的核聚变项目,位于法国南部的国际热核聚变实验堆(ITER)于北京时间 7 月 28 日下午,正式宣布工程进入组装阶段。

ITER 要在地球上制造一个小型的“人造太阳”。这也使它成为人类历史上迄今第二大国际大科学工程,仅次于国际空间站。

史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造图 | 位于法国南部 Saint-Paul-lès-Durance 的 ITER 项目所在地,项目工程目前已正式进入组装阶段。(图源:ITER)

ITER 定下了一个雄伟的目标,最快到 2050 年实现清洁、安全的能源。如能实现,一个菠萝大小的罐子中所盛的核聚变燃料,在发电量上就能匹敌 1 万吨煤。而且,用于聚变的燃料和有助于控制反应的锂都能从海水中提取,其储量足以供应人类数百万年。

ITER 项目的成员国共有 35 个,其中,中国、欧盟国家(包括英国和瑞士)、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国为项目建设的主要力量。包括中国国家主席习近平在内,ITER 各成员国的元首或政府代表,均为 “组装工程开工典礼” 发来了祝贺。

那么,这个预计耗资约 200 亿欧元(合 1640 多亿人民币),占地 4 万多平米,众多国家元首都要致信祝贺的 ITER 究竟是个啥?DeepTech 为你详解这个超大型国际科研项目。

核聚变,终极能源解决方

史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造

图 | 核聚变理论示意图(来源:Universe Today)

在拉丁语中,ITER 有 “道路” 之意。在一定程度上,可控热核聚变也被科学界视为未来能源的终极解决途径。

包括太阳在内的宇宙中的恒星,都是靠稳定的热核聚变来发光发热的。太阳内部的氢原子在极端温度和极端引力的环境下发生碰撞,并聚变为比氢更重的氦原子来产生巨大能量。

在地球上,科学家于 20 世纪通过一系列实验,发现最容易实现核聚变反应的是氢的同位素氘和氚。

为了说明核聚变的无限潜力,科学家们总在说:1 升海水中所含的氘发生聚变反应,可释放出相当于 300 升汽油燃烧的能量。地球上的海水资源异常丰富,用于产生氚的锂也有相当大的储量,这使得核聚变不会遭遇燃料瓶颈。理论上,这将是一种便宜、安全、海量的理想能源。

氘氚聚变反应的产物是稳定的氦,没有放射性废物,只产生易于处理的短寿命放射性物质,相对传统的核电站也更安全。因为核电站的反应堆要先期注入大量核燃料,而核聚变是在反应过程中随用随加原料,具有更高的安全性。

要想利用这些独一无二的优点,科学家们需要做一些前所未有的工作和创新。

太阳可以稳定核聚变,是因其内部不仅有超 1500 万摄氏度的高温,且有 3000 亿个大气压的超高气压。但在地球上,无法产生如此大的压力,只能通过提高温度来弥补。科学家通过前期研究,总结出了在地球上实现核聚变反应的三个必备条件:

(1)足够高温度(能有效人为引发聚变反应的环境温度约为 1.5 亿摄氏度,相当于太阳内核温度的 10 倍)。

(2)密度足够高的高能粒子流(增加粒子碰撞发生的可能性)。

(3)能够遏制等离子体(plasma)向外发散的趋势,将粒子流在足够长的一段时间里限制在一个有限空间内,以引发可持续的聚变反应。

在满足前两个条件的环境中,粒子流中的原子会发生电子与原子核分离,形成等离子体(常被认为是第四种物质存在状态),为轻元素原子核碰撞、结合产生重元素的聚变反应的发生创造条件;而第三个条件,则能保证这一 “能诱发核聚变反应的环境” 可以维持足够长的一段时间,以为研究目的产出有效数据,或为发电目的产出足够多的能量。

为了造出同时满足这三个条件的装置,在上世纪 60 年代,苏联科学家提出托卡马克(Tokamak)方案。托卡马克,简单来说是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的中央是一个环形真空,外面围绕着线圈,看上去像个巨大的 “甜甜圈状”。Tokamak 这一英文名也正是由此而来,其实就是俄语“外部缠有电磁线圈的环形仓室” 的首字母缩写。

当给托卡马克通电时,其内部会产生巨大螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到上亿摄氏度。就聚变堆而言,燃烧等离子体被约束在真空室内,且所含聚变堆中的氘氚燃料含量低,不会爆炸,也不会导致泄漏。

同时,还要实现充分的约束。将高温等离子体控制在高密度状态,维持足够长的时间,以便充分地发生聚变反应,直至无需再从外界输入能量,这一过程被称为“聚变点火”。要实现聚变点火,必须达到一定的约束时间。

科学家已找到两条途径来实现这种约束:磁约束和惯性约束。从研究进展看,这两种约束方式很难说哪种更具明显优势,而且都面临着不同的难题。由于在惯性约束中使用的大功率激光器还可用于核武器研究和基础科学研究,有能力开展研究的国家都倾向于自主研发。如美国的国家点火装置(NIF)和中国的神光 Ⅲ 装置,都属于惯性约束。

ITER 选择的是磁约束,主要利用大电流产生强磁场。被称为托卡马克的装置是现在完成磁约束最成熟的构形,要想实现“点火”,就要建造一个全超导托卡马克装置。

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图 | 托卡马克装置示意图。(图源:Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility)

五大科学目标

前面提到,此次 ITER 在设计上采用的是托卡马克设计,而对于采用这类设计的聚变装置来说,其所能产生的能量值与其反应核内发生的聚变反应次数成正比,而托卡马克环内的真空室空间越大,室内高能粒子流在回旋过程中发生聚变反应的几率也就越大。此次 ITER 的真空室体积容量,是现仍在运行的最大容量的托卡马克装置的 10 倍,由此带来的 “史无前例” 的反应能力,将能帮助科学家们进一步研究核聚变技术,并为人类获取能源方式的转型升级做好准备。

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图 | ITER 托卡马克的第一部分——低温恒温器的汤碟形底座于 2020 年 5 月 26 日被放入 托卡马克坑。(来源:ITER)

根据 ITER 官方所公布的信息,ITER 项目要探究的主要科学目的共有 5 个:

(1)产生 500MW(兆瓦)的能量

目前,核聚变所产生过的最高能量记录由欧洲的托卡马克装置 JET 保持,该装置曾于 1997 年的运行过程中,用 24MW 的能量输入产出 16MW 的核聚变能,而得益于更为先进的技术和设备以及更大的规模,ITER 的托卡马克装置预计将能以 50MW 的能量输入产出 500MW 的输出能量,虽然 ITER 装置在设计上并不会存储这些能量来真正给电网供能,但该装置将成为人类首个产出正能量(能量输出大于能量输入)的核聚变装置,为未来可能的商用核聚变电站打下基础。

(2)证明用核聚变发电的可行性

ITER 项目将能弥补当前世界各地的小型核聚变装置与真正意义上的聚变电站间的差距,使科学家们能在接近真实聚变电站条件的环境中开展实验,测试那些对未来建设聚变电站而言,不可或缺的技术(如核聚变的升温、控制、诊断、低温环境设计与控制,以及远程维护等技术)。

(3)实现能通过自身供能来维持反应的氘氚粒子流

目前核聚变技术的一大瓶颈在于,真空室内的粒子流无法形成聚变反应链(稳定地持续发生聚变反应),而 ITER 的装置设计将有望能在其建成后,使其真空室内的粒子流能靠自身聚变反应所产生的能量形成链式反应,并以此让聚变反应能在足够长的一段时间内稳定发生,进而稳定地输出大于输入能量的能量。

(4)测试核聚变燃料,氚的生产技术

在实现正能量输出后,ITER 项目后期将主要研究在真空室内产生氚的技术。目前,全球聚变可用氚的产量并不足以满足未来聚变发电的需求,而 ITER 则能为聚变燃料领域的学者提供接近真实聚变电站条件的实验环境,用于开展与聚变燃料生产有关的研究。

(5)验证核聚变发电设施的安全性

ITER 将就核聚变设施对周围环境的影响进行研究,以验证核聚变设施对环境的影响在可容忍范围内,并证明聚变发电技术的可持续性。

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图 | 于 2010 年开始动工的 ITER 项目工地。(图源:ITER)

35 国大合作

ITER 项目的成员国共有 35 个,在地理上横跨地球三个大洲,在人口上约占世界总人口的一半,在经济上占全球 GDP 的 85%,在文化上有超过 40 多种语言。

但在 35 年前,ITER 刚作为一个概念提出时,远没有这么大的阵势。

1985 年,美国和前苏联两国首脑共同倡议建造 ITER。后来,美、苏、欧、日共同启动。到了 1988 年,开始概念设计。然后又用了 13 年,才最终完成工程设计报告。

到了 2003 年 1 月,中国政府正式决定,加入 ITER 计划谈判进程。然而,这一决定遭到部分中国科学家的反对,以中国科学院数学物理学部为主的 40 多名院士上书中央,反对中国加入 ITER,主要理由是经费投入过于巨大,当时中国加入的话,要承担的费用超过 10 亿美元。

赞成者却认为,中国对 ITER 项目的投入,70% 将会以国内制造的部件来支付,还有 10% 则由中方派出人员折算。这样核算下来,中国真正需要支付外汇的部分仅占 20%,且 ITER 建设周期长达十年,分批支付,也不算特别昂贵。况且,该计划在理论上的不确定性已逐步消除,可以依赖的科学基础相对稳固。实际上,从上世纪 70 年代开始,中国就以托卡马克为主要研究途径,先后建造了 30 多台核聚变实验装置,积累了较多的经验。

2005 年 6 月,中、欧、日、韩、俄、美六方共同签署了《ITER 场址联合宣言》,确定将 ITER 场址设在法国卡达哈什。

2006 年 5 月,在 ITER 计划联合实施协定正式签署的前夕,印度火线加入。这印证了从国际主流决策看,ITER 是受欢迎的。

ITER 成员国将共同分担建设、运营和最终下线过程中所产生的费用,并在 ITER 计划运行的 20 年期间内,共享项目所产生的所有研究成果。

根据目前 ITER 官方所发布的信息,项目预计总耗资约为 200 亿欧元,其中,欧盟承担约 45.5% 的建设费用,剩余约 54.5% 的建设费用则由中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国均摊(每国平均各 9.1%),但各国 90% 的建设支出都不会以现金的方式交付,而是以设施所需的组件、系统和建筑部件等形式交付给 ITER。

ITER 项目的基本原则是各成员相互分享新增知识产权,不在成员之外的第三国传播。同时,也要尊重各成员的原有知识产权,可以通过谈判商定。

中国国际核聚变能源计划执行中心原副主任丁明勤,曾这样描述中国加入 ITER 项目的好处:“以 10% 的投入,享受 100% 的知识产权”。

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图 | ITER 中国项目官网上的“中国 ITER 建设参与项目一览”。(来源:ITERCHINA)

在这项参与国众多的大科学项目中,各成员也都尽力避免近期复杂的国际形势会影响到项目的推进。例如,虽然英国已正式退出欧盟和欧洲原子能共同体,但它对继续参与 ITER 项目保持了强烈兴趣。在谈判新的合作条款之前,ITER 理事会同意,所有与人员和供应商的现有合同都应得到尊重。此外,中美代表、中印代表之间的关系,也并未出现不和谐的迹象。

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各成员国的项目制造分工。(图源:ITER)

各国在核心组件上的贡献

低温控制器(Cryostat)

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(来源: ITER)

由印度制造,是包裹环形真空室和室外超导磁体的温控装置,用于确保真空室外的超导磁体能有区别于真空室内 1.5 亿摄氏度极端高温的超低温的工作环境。高和直径均为 30 米,重约 1250 吨。

承载超导磁体的磁场 Toroidal 环及超导磁体(Toroidal Field Coils)

史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造

(来源: ITER)

由日欧中俄韩联合制造,参与企业达 40 多家,共有 18 个环形线圈组成,每个环形线圈重 360 吨。

承载超导磁体的磁场 Poloidal 环及超导磁体(Poloidal Field Coils)

史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造

(来源: ITER)

由中俄欧联合制造,由 6 个环形线圈组成,每个线圈重约 400 吨,将被安装在 Toroidal 环外,目的是使等离子体原理真空室的仓壁。目前,由中国负责制造的一个线圈已于 5 月交付 ITER。

中央磁体

史上最具野心的核聚变装置开始组装!中国参与核心组件制造

(来源: ITER)

由美国制造,为 ITER 组件中的最强磁体,由 6 个模组构成,安装完成后高约 13 米,宽约 18 米,加上支撑结构重约 1000 吨,其所产生的磁力能抬起一台航空母舰,主要用于在真空室内的等离子体中产生强力电流(预计将于 2020 年秋季交付)。

真空室(Vacuum Vessel)

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(来源: ITER)

由欧韩俄联合制造,设有 44 个外部接口可供控制系统对仓内情况进行监测,内部为不锈钢壁面且贴有一层用于将仓内聚变反应辐射隔离的防辐射“布”。

目前,用于安置整个核聚变装置的大楼和装配组件用的装配设施已经建成,由一条长 170 米的轨道和两台 750 吨级起重机组成。设施所用到的冷冻设备由中法日印瑞(瑞典)捷(捷克)芬(芬兰)意(意大利)联合制造,目前已完工 60%,建成后将成为世界上最大的中央温控系统,主要用于为超导磁体创造低温环境。

虽然今年受到疫情冲击,但截至目前 ITER 的建设工程总体来说并未逾期太久,下面是 ITER 官方的项目时间表。

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(来源: ITER)

最后,一定不能忘记,ITER 只是一个实验,是迄今为止人类所尝试过的最复杂、最具挑战性的实验。换句话说,即便 ITER 取得满意结果,还要再经过示范堆和原型堆阶段的验证,因此,最乐观的估计是,聚变能的商业化应用在本世纪中叶或稍晚才有可能实现。

还有,这样的观点在 30 年前就有,说是 “30 年内核聚变能够商用”,现在,仍然说是下一个 30 年。

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