通往核聚变之路

国际热核聚变实验反应堆（ITER）是世界上最大的核聚变实验项目，目前已完成 60% 的建设。未来的挑战依然巨大，道路依然漫长，但广泛的研究工作正在支持使 ITER 成为现实所需的技术发展。

圣保罗-莱迪朗斯是法国南部一个安静的小村庄，但通往那里的道路已经拓宽和加固，以支持大型重型车辆。这些重型卡车在深夜行驶以尽量减少交通中断，它们正前往将成为世界上最大的聚变反应堆的建筑工地：国际热核聚变实验反应堆（ITER）。

核聚变驱动着太阳。原理很简单：两个轻核结合形成一个较重的原子核并释放能量。最容易利用的聚变反应涉及两种氢同位素：氘和氚。氘在海水中含量丰富，氚可以从锂中产生，因此聚变电站不会缺乏燃料。而且，它不会产生污染物或放射性废物，并且本质上是安全的，因为聚变不是链式反应。因此，聚变有望提供清洁和可持续的能源。

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从聚变反应产生能量已经在托卡马克和仿星器这两种可能的聚变反应堆设计中得到证实，但仅在消耗能量多于产生能量的小型研究反应堆中。下一步是证明聚变可以在发电厂规模上产生能量，而这正是 ITER 的用武之地。

ITER 采用托卡马克设计，将是一个研究设施。一旦建成，它将产生 10 倍于运行所需能量的能量，但不发电。尽管 ITER 具有关键作用，但这并非通往聚变能源之旅的终点。它将为工业原型 DEMO 的建设奠定基础，DEMO 将把聚变能转化为电能并输送到电网。“我不知道聚变在工业规模上将如何运作，但我想弄清楚。我预计在本世纪下半叶之前，我们将能够有一些聚变电站连接到电网，”ITER 总干事伯纳德·比戈特解释道。

加热等离子体

为了触发聚变反应，需要克服原子核之间的静电斥力，直到强大的吸引核力开始发挥作用。这通过使用极高的温度来实现：创造 1.5 亿摄氏度的等离子体，是太阳温度的 10 倍。

该过程始于将氘和氚注入高真空反应容器中。放电将原子核和电子分离，形成低密度等离子体。如果等离子体接触容器壁，它会重新结合并返回气相，因此使用 ITER 强大的磁体对其进行约束非常重要。磁体还与射频和微波一起使用，通过激发离子来加热等离子体。进一步的加热是通过注入高速中性氘束的散射来实现的。

聚变反应产生氦和中子，其动能高于原始粒子。氦将其部分能量传递给进入容器的新氢同位素，从而使等离子体能够自我维持。不带电的中子从磁约束中逸出，并将其动能传递到容器壁，从而产生热能。在 ITER 中，这种能量只会加热水，但在 DEMO 中，它将被转化为电能。

时间表

目前，ITER 大约 60% 的建设工作已经完成（图 1）。一旦设施投入运行，在达到满功率之前，需要对其进行仔细测试。因此，在计划于 2025 年产生首次等离子体之后，可能需要到 2035 年才能实现完全聚变功率。到 2040 年，DEMO 的建设应该开始，预计到 2060 年与电网连接。在那之后，各公司有望在研究界的有限参与下，带头建设聚变电站。“还有很长的路要走，这就是为什么迫切需要争分夺秒，”比戈特说。“想想从第一股石油到石油工业所花费的时间：那是一个世纪，而且那比聚变技术简单得多。”

更广泛的聚变领域

ITER 是七个成员（中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国）共 35 个国家的合作项目，其中欧盟负责近一半的项目，是聚变世界的旗舰装置；然而，这并非孤立的努力。为了使 ITER 和 DEMO 所需的技术成熟并消除风险，存在着强有力的研究计划。例如，材料将作为国际聚变材料辐照设施项目（IFMIF）的一部分进行开发和测试，该项目的工程验证研究正在日本进行，这是欧洲和日本之间聚变能源发展更广泛方法协议的框架。由此产生的辐照设施 IFMIF-DONES（DEMO 定向中子源）可能会在未来十年内在欧洲开始运行。联合欧洲环形加速器（JET）是英国托管的托卡马克，于 1983 年产生了首次等离子体，是目前使用中最强大的聚变设施，它也为 ITER 的材料和技术提供了重要的试验平台。

开发另一种可能的聚变反应堆设计——仿星器背后的技术的努力也在进行中。德国的一个实验性仿星器 Wendelstein 7-X 于 2016 年实现了首次等离子体。“我认为仿星器最终也可能会成功，”负责管理欧盟对 ITER 贡献的组织“聚变能源”的副主管胡安·克纳斯特评论道。“它们落后一代，但非常有希望，未来的聚变反应堆可能会基于这种设计。”

极端条件下的材料

聚变研究和开发计划的一个重点是用于反应堆容器的材料。在这方面，需要解决多个挑战。首先，衬在容器壁上的瓦片将减缓中子的速度，并将它们的动能转化为热能，因此它们需要承受非常高的热负荷。其次，由于等离子体的约束并非完美，因此可能会与等离子体发生相互作用：高能中子会侵蚀材料，从而在等离子体中引入杂质，从而阻止聚变反应。第三，放射性氚可能会被材料保留，使其也具有放射性。最后，等离子体的温度非常高，以至于大多数材料都会在其附近熔化。

因此，为 ITER 找到合适的材料绝非易事，材料在运行条件下的测试是在 JET 上进行的。在建造时，JET 使用了碳纤维复合材料瓦片，但碳与氚结合，形成需要去除的粉末。2011 年，JET 安装了新的瓦片。用于面向等离子体壁的新瓦片由铍制成，而容器底部排气系统上的瓦片（分离器，一系列用于收集杂质以最大限度减少等离子体污染的盒式磁带）由钨制成。

铍除了具有出色的热性能和机械性能外，还具有不吸收氚的优点。然而，在分离器中，等离子体的某些部分实际上会接触到壁，因此即使铍具有非常高的耐热性，也不足以作为其涂层；首选材料是钨，它具有所有金属中最高的熔点，并且耐等离子体腐蚀。钨通常是脆性的，因此正在研究对其进行机械加工以提高其强度以及与其他材料合金化以防止其因辐射损伤而脆化的程序。

超导磁体

大量的研究工作也投入到 ITER 磁体的设计和生产中，这些磁体是世界上最大、技术最复杂的磁体之一。ITER 有三个主要的磁体级别：环形磁体放置在真空容器周围以约束等离子体；极向磁体放置在环形系统外部以塑造等离子体，有助于其稳定性；螺线管放置在真空容器的中心，并在等离子体中感应出强大的电流，从而加热等离子体。最后，还有校正线圈，可以补偿制造和组装过程中可能存在的微小缺陷。由于它们需要产生高磁场（高达 13 特斯拉），因此 ITER 的所有磁体均由超导材料制成——根据磁体的不同，为 NbTi 或 Nb3Sn——并且将在液氦温度下运行。

百万件拼图

工业界和研究机构正在共同努力制造将成为 ITER 一部分的无数组件，从而促进创新并刺激可能在核聚变之外找到应用的技术发展。

组件的制造分布在所有 35 个合作伙伴国家/地区，以确保它们都跟上在广泛使用聚变能时所需的技术发展。“在造船厂更常见的大型部件需要以亚毫米级的精度组装：这是一个巨大的挑战，”比戈特观察到。“我们必须面对的另一个挑战是集成；我们必须结合许多不同的技术：真空、磁力和热传递。最后的挑战是管理 35 个不同国家的合作，我们通过确保明确的决策制定流程、深入的工作整合和可靠的时间表来实现这一点。”

组装 ITER 所需的大约 1000 万个组件中的许多组件已在现场。第一个 310 吨的环形场线圈（来自日本）和第一个 440 吨的真空容器扇区（来自韩国）是 2019 年预计在圣保罗-莱迪朗斯交付的特殊货物。

本文经许可转载，并于2019 年 5 月 21 日首次发表。