国际热核聚变
实验堆（ITER）计划（3）
胡经国
（续前）
五、ITER计划发展历程
20世纪
由于聚变能的研究不仅关系到最终解决人类能源问题，而且还涉及众多最先进而且非常敏感的技术，因而ITER计划的形成，除了与科学技术本身的发展有关以外，还始终与主要大国在政治和外交方面的考虑分不开。本文将主要从科学和技术角度作一些分析和说明。
1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆（ITER）”计划。ITER计划的目标是：要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的“托可马克核聚变实验堆”，以便对未来“核聚变示范堆”及“商用核聚变堆”的物理和工程问题进行深入探索。
下图为ITER装置示意图（图源：网络）。
最初，该计划仅仅确定由美、俄、欧、日四方参加，独立于联合国原子能委员会（IAEA）之外，其总部分设美、日、欧三处。由于当时的科学和技术条件还不成熟，该四方科技人员于1996年提出的ITER初步设计很不合理，要求投资上百亿美元。1998年，美国出于政治原因及国内纷争，以加强基础研究为名，宣布退出ITER计划。而欧、日、俄三方则继续坚持合作，并且基于20世纪90年代核聚变研究及其他高新技术的新发展，大幅度地修改了该实验堆的设计。
21世纪
2001年，欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计（EDA）及主要部件的研制，预计建造费用为50亿美元（1998年价），建造期8至10年，运行期20年。其后，该三方分别组织了独立的审查，都认为设计合理，基本上可以接受。
2002年，欧、日、俄三方以EDA为基础，开始协商ITER计划的国际协议及相应国际组织的建立，并且表示欢迎中国与美国参加ITER计划。中国于2003年1月初正式宣布参加协商；其后美国在1月末由布什总统特别宣布重新参加ITER计划；韩国在2005年被接受参加ITER计划协商。以上六方于2005年6月签订协议，一致同意把ITER建在法国核技术研究中心Cadarache，从而结束了激烈的“选址大战”。印度于2006年加入ITER计划协商。最终，七个成员国政府于2006年5月25日，草签了建设ITER的国际协定。目前，其国际组织正在组建，总干事和副总干事人选已确定。还有一些国家也正在考虑参加ITER计划。
在ITER建设总投资的50亿美元（1998年值）中，欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献大约9%。根据协议，中国贡献中的70%以上由中国制造所约定的ITER部件折算，10%由中国派出所需合格人员折算，需支付国际组织的外汇不到20%。
作为聚变能实验堆，ITER要把上亿摄氏度、由氘和氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的“磁笼”中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体，产生接近电站规模的受控聚变能。
在ITER上开展的研究工作，将揭示这种带有氘和氚核聚变反应的高温等离子体的特性，探索它的约束、加热和能量损失机制，等离子体边界的行为以及最佳的控制条件，从而为今后建设“商用核聚变反应堆”奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究，不仅将验证受（可）控热核聚变能的工程可行性，而且还将对今后如何设计和建造“聚变反应堆”提供必不可少的信息。
ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能的必要一步，有可能直接决定真正“聚变示范电站”（DEMO）的设计和建设，并且进而促进“商用聚变电站”的更快实现。
ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的“超导托卡马克”。其装置中心是“高温氘氚等离子体环”；其中存在15兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达50万千瓦，每秒释放多达1020个高能中子。“等离子体环”在“屏蔽包层的环型包套”中；“屏蔽包层”将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。
在包层之外是巨大的“环形真空室”。在其下侧有“偏虑器”与真空室相连，可排出核聚变反应后的废气。真空室穿在16个大型超导环向场线圈（即“纵场线圈”）中。
“环向超导磁体”将产生5.3特斯拉的环向强磁场，它是该装置的关键部件之一，价值超过12亿美元。
穿过环的中心是一个巨大的“超导线圈筒”（“中心螺管”）。在环向场线圈外侧，还布有六个大型“环向超导线圈”，即“极向场线圈”。中心螺管和极向场线圈的作用是“产生等离子体电流”和“控制等离子体位形”。
上述系统整个被罩于一个“大杜瓦”中，其坐落于底座上，构成实验堆本体。
下图为国际热核聚变实验反应堆（ITER）外观模型（图源：网络）。
在本体外分布有4个10兆瓦的强流粒子加速器，10兆瓦的稳态毫米电磁波系统，20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。
整个体系还包括：大型供电系统、大型氚工厂、大型供水（包括去离子水）系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。
ITER本体内所有可能的调整和维修都是通过远程控制的机器人或机器手完成的。
ITER装置不仅反映了国际核聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的远程控制技术等。20世纪60年代，利用该原理，前苏联科学家提出并且证明了激光可以使氘与氚发生聚变。直到2009年，耗资35亿美元的美国“国家点火装置”（简称NIF）终于让科学家看到了激光核聚变实现的可能性，人类寄希望于能从该实验室中获得“取之不尽、用之不竭”的清洁核能。
据2013年9月25日（北京时间）消息，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室报告称，世界最大激光器、被称为“人造太阳”的美国“国家点火装置”（NIF）正距离其目标越来越近，显示了一个可持续核聚变反应装置正在由梦想逐步成为现实。不过，在其设施达到高度稳定以前，目前仍有一个显著障碍有待克服。
据2020年12月28日报道，韩国超导托卡马克高级研究（KSTAR）创造了新的世界纪录，超导聚变设备也被称为“韩国人造太阳”，其离子在超过1亿度（摄氏温度）下维持了20秒钟。
2022年2月9日，欧洲核聚变研发创新联盟（EUROfusion）、英国原子能管理局（UKAEA）和国际热核聚变实验堆（ITER）联合召开新闻发布会称，欧洲科学家在通过聚变等离子体生产能源的道路上取得了重大成功——世界上规模最大的核聚变反应堆“欧洲联合环状反应堆”（JET）中产生了能量输出为59兆焦耳的稳定等离子体。这是自1997年以来，世界上首次氘氚核聚变实验。
2023年12月1日，日本和欧盟共同建设、位于日本茨城县那珂市的大型核聚变实验装置开始运行，向实现“人造太阳”又迈进了一步。
2024年2月29日，全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER）组织与中核集团中核工程牵头的中法联合体正式签署真空室模块组装合同。
2024年4月，“韩国的人造太阳”在聚变能研究方面取得了重大突破，其“超导托卡马克先进研究（KSTAR）装置”成功将等离子体环路加热至1.8 亿华氏度（1 亿摄氏度），并且维持了创纪录的48秒。这一成绩打破了该装置于 2021年创造的31秒的世界纪录。
2024年，ITER宣布新项目计划，即“新基线”（baseline）。根据这项新计划，ITER将于2034年首次运行，比此前的计划晚了9年；而产生能量的聚变反应要到2039年才会实现。该项目成本将会在此前的200亿欧元基础上再增加50亿欧元。
2025年2月，国际热核聚变实验堆（ITER）组织总干事彼得罗·巴拉巴斯基在接受记者采访时表示，“中国是ITER的关键合作伙伴之一，中方工程师和科学家们为‘人造太阳’计划作出了大量贡献。”
（未完待续）
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