当前位置:首页 > 科普园地
国际热核聚变实验堆(ITER)
时间 : 2011-09-24     

国际热核聚变实验堆 ITER

(International Thermonuclear Experimental Reactor)


 

ITER的由来及其发展历程

1985年,前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国前总统里根在日内瓦峰会上倡议提出国际热核聚变实验堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)计划。1988年,美、苏、欧、日共同启动ITER计划,经过13年共同努力,耗资约15亿美元,在1991年完成概念设计的基础上,1998年美、俄、欧、日四方完成工程设计及部分技术预研。1998年美国退出ITER计划后,其余三方继续合作对原工程设计进一步修改完善,于2001年7月完成ITER工程设计最终报告及主要部件的研制。

ITER计划的实施分四个阶段:建造期10年,总费用约为50亿欧元;运行期20年,总费用约50亿欧元;去活化阶段5年预计费用8亿欧元;最后装置交由东道国退役。

中国于2003年初正式参加ITER计划谈判,同期,美国重返ITER计划。韩国于2003年6月参加ITER计划谈判。经过近两年的谈判和高层运作,中、欧、日、韩、俄、美六方于2005年6月共同签署《ITER场址联合宣言》,确定将ITER场址设在法国卡达哈什。2005年底,印度加入ITER计划谈判。

ITER计划七方政府于2006年5月24日草签了联合实施ITER计划的两个协定《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》(简称《组织协定》)和《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》(简称《特豁协定》),并于同年11月21日正式签署了这两个协定。

经过近一年的各方国会、内阁审批、核准《组织协定》和《特豁协定》后, ITER国际组织于2007年10月24日正式成立,ITER计划进入装置建造阶段。

ITER设计总聚变功率达到50万千瓦,是一个电站规模的实验反应堆,其目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程技术上的可行性。ITER计划的另一重要目标是通过创造和维持氘氚燃烧等离子体,检验和实现各种聚变技术的集成,并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。

在过去十余年中,与建设ITER有关的技术研发已经基本完成。目前建造ITER的技术基础已经基本具备,国际上对ITER计划的主流看法是:建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备,成功的把握较大。再经过示范堆、原型堆核电站阶段,聚变能商业化应用可在本世纪中叶或稍晚实现。

2008年以来,ITER计划进入装置建造阶段,各方面工作逐步开展。ITER国际聚变能组织和中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国等七方携手合作,共同推进ITER计划的实施。各方以《组织协定》及相关文件的规定为准绳,在ITER理事会的领导下,共同履行国际承诺,按时保质保量完成实物贡献,及时提交现金贡献。

ITER托卡马克装置将建造在法国南部、罗纳河沿岸的普罗旺斯地区,其占地180公顷,共有39栋建筑组成,实验堆主体直径28米,高30米,聚变功率相当于50万千瓦电站的核反应堆。

ITER组织高官称,ITER装置厂房计划于2010年7月开工建造,预计2019年基本建成,预计2027年开展氘氚聚变实验

http://www.chinanews.com/gn/news/2010/06-16/2346008.shtml

 

中国参加ITER始末

科技日报编者按:核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能具有资源无限,不污染环境,不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步,其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果,拥有可靠的科学依据并具备坚实的技术基础。国际上对ITER计划的主流看法是:建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备,成功的把握较大,经过示范堆、原型堆核电站阶段,可在本世纪中叶实现聚变能商业化。

ITER计划是我国改革开放以来有机会参加的最大的多边国际大科学工程合作项目。参加ITER计划有利于大幅度提升我国在科学技术领域参加国际合作的层次;有利于推动我国聚变能研究开发,加快我国聚变能开发进程;有利于我国学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验;有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高电压技术等众多领域的研究开发能力;有利于锻炼和造就一批高水平、高素质的科研人员、工程技术人员和管理人员,为我国聚变事业的发展打下坚实人才基础。

2003年1月,国务院批准我国参加ITER计划谈判,经过三年谈判,2006年5月24日,中国国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起,在比利时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆ITER联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段,即将开始工程建设,也标志着中国实质上参加了ITER计划。

 

 

(一)

ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。它的建造大约需要十年,耗资五十亿美元(1998年值)。合作承担ITER计划的七个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。为建设ITER,各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织,各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的,充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。

ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能,从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天,各国坚持协商、合作的精神,搁置诸多的矛盾和利害冲突,最终达成了各方都能接受的协议,并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。

我国是一个持续高速发展的发展中大国,能源问题日益突出,因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排,对国际上有关ITER计划的讨论一直给予高度关注。2002年底,国务院授权国家科学技术部代表我国政府参加ITER计划国际协商,并于今年决定在协商完成后的草签协议上签字。这显示了我国作为一个发展中大国对我国和对人类未来负责任的态度,以及对打开国门积极参加国际科技合作的决心。

(二)

如果说重原子核在中子打击下分裂放出的“裂变能”是当今原子能电站及原子弹能量的来源,则两个轻原子核聚合反应放出“核聚变能”就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能,但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应,控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中,氢的同位素———氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相对比较易于实现的。

氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富,一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;氚可在反应堆中通过锂再生,而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性,中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性,可以说,聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下,气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开,各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。因此,实现“受控热核聚变”首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体,使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是,超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场(因为带电粒子只能沿磁力线运动)是一种最可能的选择。对不同设计出的"磁笼"中等离子体运动行为及防止逃逸的研究(即所谓稳定性研究),成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行,上亿度的高温必须能长时间维持(不论靠聚变反应产生的部分能量,或外加部分能量)。或者可以说,等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力,这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外,建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

从20世纪40年代末起,各国就开发了多种磁笼途径,并由之出发,对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人,经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈,其间纷争不断。在这过程中,人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始,苏联科学家发明的“托克马克”途径逐渐显示出了独特的优点,并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”。等离子体就被约束在这“磁笼”中,很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验,托克马克显示了较为光明的前景:等离子体达到了数百万度,等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到,如果扩大此类装置的规模,有可能获得接近聚变条件的等离子体。

20世纪90年代,在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上,聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验,得到16兆瓦的聚变功率。可以说,聚变能的科学可行性已基本得到论证,有可能考虑建造“聚变能实验堆”,创造研究大规模核聚变的条件。

(三)

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且非常敏感的技术,因此,ITER计划的形成除与科学技术本身的发展有关外,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,以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。

最初,该计划仅确定由美、俄、欧、日四方参加,独立于联合国原子能委员会(IAEA)之外,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,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。欧、日、俄三方则继续坚持合作,并基于上世纪90年代核聚变研究及其他高新技术的新发展,大幅度修改实验堆的设计。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,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、印各贡献约9%%。根据协议,中国贡献中的70%%以上由我国制造所约定的ITER部件折算,10%%由我国派出所需合格人员折算,需支付国际组织的外汇不到20%%。

ITER建设总投资50亿美元的各国份额

 

作为聚变能实验堆,ITER要把上亿度、由氘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的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克马克。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。

在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏虑器与真空室相连,可排出核反应后的废气。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,是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,坐落于底座上,构成实验堆本体。

在本体外分布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。

ITER装置不仅反映了国际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等。

(四)

我国核聚变能研究开始于60年代初,尽管经历了长时间非常困难的环境,但始终能坚持稳定、逐步的发展,建成了两个在发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究所,即中国核工业集团公司所属的西南物理研究院(SWIP)及中国科学院所属的合肥等离子体物理研究所(ASIPP)。为了培养专业人才,还在中国科技大学、大连理工大学、华中理工大学、清华大学等高等院校中建立了核聚变及等离子体物理专业或研究室。

我国核聚变研究从一开始,即便规模很小时,就以在我国实现受控热核聚变能为主要目标。从上世纪70年代开始,集中选择了托克马克为主要研究途径,先后建成并运行了小型CT-6(中科院物理所)、KT-5(中国科技大学)、HT-6B(ASIPP)、HL-1(SWIP)、HT-6M(ASIPP)及中型HL-1M(SWIP)。最近SWIP建成的HL-2A经过进一步升级,有可能进入当前国际上正在运行的少数几个中型托克马克之列。在这些装置的成功研制过程中,组建并锻炼了一批聚变工程队伍。我国科学家在这些常规托克马克装置上开展了一系列十分有意义的研究工作。

自1991年,我国开展了超导托克马克发展计划(ASIPP),探索解决托克马克稳态运行问题。1994年建成并运行了世界上同类装置中第二大的HT-7装置,最近初步建成了首个与ITER位形相似(规模小很多)的全超导托克马克EAST。超导托克马克计划无疑为我国参加ITER计划在技术与人才方面做了进一步的准备。

“聚变-裂变混合堆项目”于1987年正式列入我国“863计划”,目的是探索利用核聚变反应的另一类有效途径,其中主要安排了一些与未来核聚变堆有关技术的研发。2000年由于诸多原因,“聚变-裂变混合堆项目”被中止,但核聚变堆概念设计以及堆材料和某些特殊堆技术的研究仍在两个专业院所继续进行。

尽管就规模和水平来说,我国核聚变能的研究和美、欧、日等发达国家还有不小的差距,但是我们有自已的特点,也在技术和人才等方面为参加ITER计划做了相当的准备。这使得我们有能力完成约定的ITER部件制造任务,为ITER计划做出相应的贡献,并有可能在合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术,达到我国参加ITER计划总的目的。

我国是一个能源大国,在本世纪内每年的能耗都将是数十亿吨标煤。由于条件限制,在长时间内我国能源生产都将以煤为主,所占比例高达70%%。考虑到我国社会经济的长期可持续发展,我们必须尽快用可靠的非化石能源(如核裂变或核聚变能、太阳能、水能等)来取代大部分煤或石油的消耗。因此,必然应该在能力许可范围内积极开展核聚变能的研究,尽可能地参加国际核聚变能的大型合作研发计划(如ITER计划)。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。

核聚变能的研发对每个大国都是必要的,但又是一个长期、大规模、高投入而且又是高风险的过程。我国核聚变研究目前距离发达国家还有很大差距,还须经过若干年的努力才能接近“实验堆”建设和研究阶段。如果采取单独建造实验堆,则又须花费上百亿资金和十数年时间,我国和国际的差距会进一步扩大。因此,参加ITER计划,参加ITER的建设和实验,从而全面掌握ITER的知识和技术,培养一批聚变工程和科研人才,使其成为我国聚变研究的一部分。再配合国内安排必要的基础研究、聚变反应堆材料的研究、聚变堆某些必要技术的研究等,则有可能在较短时间、用较小投资使我国核聚变能研究在整体上进入世界前沿,为我国自主地开展核聚变示范电站的研发奠定基础。

我们还必须看到,ITER本身就是当代各类高新技术的综合,中国科技人员长期、全面地参加ITER的建设和研究工作,直接接触和了解各类技术,必将有利于我国高新技术及相应产业的发展。事实上,参加ITER计划已开始推动我国超导技术与相关产业的发展。

由于ITER计划本身的重要性,我国作为完全的伙伴全面参加ITER计划,就成为我国参加国际科技合作走上更高层次的一个明显的标志。这也在国际上展示了我国在科技领域坚持“开放”的决心。

我国聚变研究的中心目标,是促使核聚变能在可能的条件下,尽早在中国实现。因此参加ITER计划应该也只能是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分。国家将在参加ITER计划的同时支持与之配套或与之互补的一系列重要研究工作,如托克马克等离子体物理的基础研究、聚变堆第一壁等关键部件所需材料的开发、示范聚变堆的设计及必要技术或关键部件的研制等。参加ITER计划将是我国聚变能研究的一个重大机遇。

(五)

国际聚变界普遍认为,今后实现聚变能的应用将历经三个战略阶段,即:建设ITER装置并在其上开展科学与工程研究(有50万千瓦核聚变功率,但不能发电,也不在包层中生产氚);在ITER计划的基础上设计、建造与运行聚变能示范电站(近百万千瓦核聚变功率用以发电,包层中产生的氚与输入的氘供核聚变反应持续进行);最后,将在本世纪中叶(如果不出现意外)建造商用聚变堆。我国将力争跟上这一进程,尽快建造商用聚变堆,使得核聚变能有可能在本世纪末在我国能源中占有一定的地位。

 

http://news.xinhuanet.com/tech/2006-07/04/content_4791069.htm