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世界上最大的核聚變實驗裝置ITER
[ 發布時間:2021-07-14 ]   [ 信息來源: 國際原子能機構 ]  [ 字號: ]

  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——位于英國的歐洲聯合環(JET)和位于日本的歐洲-日本聯合裝置JT-60SA。


  但是,ITER的潛力是什么?在一個小型化和最優化的時代,為什么有必要建造一個如此巨大規模的研究裝置?


  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、強磁體和其他裝置的組合,在超高溫等離子體中產生釋放能量的聚變反應。由此產生的磁場約束帶電粒子并使其圍繞環形反應堆容器旋轉,以便這些粒子能夠聚變并產生聚變能。


  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,即產生的聚變功率與注入等離子體以驅動反應的功率之比率,用符號“Q”表示。


  迄今,JET已從24兆瓦加熱功率產生16兆瓦聚變功率,實現的最佳增益Q值為0.67。然而,進行發電,還需要高得多的Q值。


  發電的先決條件


  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,但要達到發電廠所需的性能水平,還需要進一步提高5倍。為了實現這一目標,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達到。為了成為穩定的電力來源,未來的核聚變電廠將需要持續運行。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這種自持反應,ITER的目標是在時間遠遠長于10分鐘,最終產生并保持Q值為5。


  全球協作


  ITER的35個參與國占世界人口的一半以上,占全球國內生產總值(GDP)的85%。雖然在全球范圍內正在進行許多其他較小規模的聚變實驗,但它們中的大多數仍然與ITER組織保持協調、合作或協作。


  國際原子能機構和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、人力資源發展以及教育活動和外聯方面。國際原子能機構還協助ITER組織與國際原子能機構成員國,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聚變能會議。


  希望ITER將證明聚變發電的科學和技術可行性,并根據其分階段研究計劃,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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