通往核聚變之路

國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）是世界上最大的核聚變實驗專案，目前已完成 60% 的建設。未來的挑戰依然巨大，道路依然漫長，但廣泛的研究工作正在支援使 ITER 成為現實所需的技術發展。

聖保羅-萊迪朗斯是法國南部一個安靜的小村莊，但通往那裡的道路已經拓寬和加固，以支援大型重型車輛。這些重型卡車在深夜行駛以儘量減少交通中斷，它們正前往將成為世界上最大的聚變反應堆的建築工地：國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）。

核聚變驅動著太陽。原理很簡單：兩個輕核結合形成一個較重的原子核並釋放能量。最容易利用的聚變反應涉及兩種氫同位素：氘和氚。氘在海水中含量豐富，氚可以從鋰中產生，因此聚變電站不會缺乏燃料。而且，它不會產生汙染物或放射性廢物，並且本質上是安全的，因為聚變不是鏈式反應。因此，聚變有望提供清潔和可持續的能源。

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從聚變反應產生能量已經在託卡馬克和仿星器這兩種可能的聚變反應堆設計中得到證實，但僅在消耗能量多於產生能量的小型研究反應堆中。下一步是證明聚變可以在發電廠規模上產生能量，而這正是 ITER 的用武之地。

ITER 採用託卡馬克設計，將是一個研究設施。一旦建成，它將產生 10 倍於執行所需能量的能量，但不發電。儘管 ITER 具有關鍵作用，但這並非通往聚變能源之旅的終點。它將為工業原型 DEMO 的建設奠定基礎，DEMO 將把聚變能轉化為電能並輸送到電網。“我不知道聚變在工業規模上將如何運作，但我想弄清楚。我預計在本世紀下半葉之前，我們將能夠有一些聚變電站連線到電網，”ITER 總幹事伯納德·比戈特解釋道。

加熱等離子體

為了觸發聚變反應，需要克服原子核之間的靜電斥力，直到強大的吸引核力開始發揮作用。這透過使用極高的溫度來實現：創造 1.5 億攝氏度的等離子體，是太陽溫度的 10 倍。

該過程始於將氘和氚注入高真空反應容器中。放電將原子核和電子分離，形成低密度等離子體。如果等離子體接觸容器壁，它會重新結合並返回氣相，因此使用 ITER 強大的磁體對其進行約束非常重要。磁體還與射頻和微波一起使用，透過激發離子來加熱等離子體。進一步的加熱是透過注入高速中性氘束的散射來實現的。

聚變反應產生氦和中子，其動能高於原始粒子。氦將其部分能量傳遞給進入容器的新氫同位素，從而使等離子體能夠自我維持。不帶電的中子從磁約束中逸出，並將其動能傳遞到容器壁，從而產生熱能。在 ITER 中，這種能量只會加熱水，但在 DEMO 中，它將被轉化為電能。

時間表

目前，ITER 大約 60% 的建設工作已經完成（圖 1）。一旦設施投入執行，在達到滿功率之前，需要對其進行仔細測試。因此，在計劃於 2025 年產生首次等離子體之後，可能需要到 2035 年才能實現完全聚變功率。到 2040 年，DEMO 的建設應該開始，預計到 2060 年與電網連線。在那之後，各公司有望在研究界的有限參與下，帶頭建設聚變電站。“還有很長的路要走，這就是為什麼迫切需要爭分奪秒，”比戈特說。“想想從第一股石油到石油工業所花費的時間：那是一個世紀，而且那比聚變技術簡單得多。”

更廣泛的聚變領域

ITER 是七個成員（中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國）共 35 個國家的合作專案，其中歐盟負責近一半的專案，是聚變世界的旗艦裝置；然而，這並非孤立的努力。為了使 ITER 和 DEMO 所需的技術成熟並消除風險，存在著強有力的研究計劃。例如，材料將作為國際聚變材料輻照設施專案（IFMIF）的一部分進行開發和測試，該專案的工程驗證研究正在日本進行，這是歐洲和日本之間聚變能源發展更廣泛方法協議的框架。由此產生的輻照設施 IFMIF-DONES（DEMO 定向中子源）可能會在未來十年內在歐洲開始執行。聯合歐洲環形加速器（JET）是英國託管的託卡馬克，於 1983 年產生了首次等離子體，是目前使用中最強大的聚變設施，它也為 ITER 的材料和技術提供了重要的試驗平臺。

開發另一種可能的聚變反應堆設計——仿星器背後的技術的努力也在進行中。德國的一個實驗性仿星器 Wendelstein 7-X 於 2016 年實現了首次等離子體。“我認為仿星器最終也可能會成功，”負責管理歐盟對 ITER 貢獻的組織“聚變能源”的副主管胡安·克納斯特評論道。“它們落後一代，但非常有希望，未來的聚變反應堆可能會基於這種設計。”

極端條件下的材料

聚變研究和開發計劃的一個重點是用於反應堆容器的材料。在這方面，需要解決多個挑戰。首先，襯在容器壁上的瓦片將減緩中子的速度，並將它們的動能轉化為熱能，因此它們需要承受非常高的熱負荷。其次，由於等離子體的約束並非完美，因此可能會與等離子體發生相互作用：高能中子會侵蝕材料，從而在等離子體中引入雜質，從而阻止聚變反應。第三，放射性氚可能會被材料保留，使其也具有放射性。最後，等離子體的溫度非常高，以至於大多數材料都會在其附近熔化。

因此，為 ITER 找到合適的材料絕非易事，材料在執行條件下的測試是在 JET 上進行的。在建造時，JET 使用了碳纖維複合材料瓦片，但碳與氚結合，形成需要去除的粉末。2011 年，JET 安裝了新的瓦片。用於面向等離子體壁的新瓦片由鈹製成，而容器底部排氣系統上的瓦片（分離器，一系列用於收集雜質以最大限度減少等離子體汙染的盒式磁帶）由鎢製成。

鈹除了具有出色的熱效能和機械效能外，還具有不吸收氚的優點。然而，在分離器中，等離子體的某些部分實際上會接觸到壁，因此即使鈹具有非常高的耐熱性，也不足以作為其塗層；首選材料是鎢，它具有所有金屬中最高的熔點，並且耐等離子體腐蝕。鎢通常是脆性的，因此正在研究對其進行機械加工以提高其強度以及與其他材料合金化以防止其因輻射損傷而脆化的程式。

超導磁體

大量的研究工作也投入到 ITER 磁體的設計和生產中，這些磁體是世界上最大、技術最複雜的磁體之一。ITER 有三個主要的磁體級別：環形磁體放置在真空容器周圍以約束等離子體；極向磁體放置在環形系統外部以塑造等離子體，有助於其穩定性；螺線管放置在真空容器的中心，並在等離子體中感應出強大的電流，從而加熱等離子體。最後，還有校正線圈，可以補償製造和組裝過程中可能存在的微小缺陷。由於它們需要產生高磁場（高達 13 特斯拉），因此 ITER 的所有磁體均由超導材料製成——根據磁體的不同，為 NbTi 或 Nb3Sn——並且將在液氦溫度下執行。

百萬件拼圖

工業界和研究機構正在共同努力製造將成為 ITER 一部分的無陣列件，從而促進創新並刺激可能在核聚變之外找到應用的技術發展。

元件的製造分佈在所有 35 個合作伙伴國家/地區，以確保它們都跟上在廣泛使用聚變能時所需的技術發展。“在造船廠更常見的大型部件需要以亞毫米級的精度組裝：這是一個巨大的挑戰，”比戈特觀察到。“我們必須面對的另一個挑戰是整合；我們必須結合許多不同的技術：真空、磁力和熱傳遞。最後的挑戰是管理 35 個不同國家的合作，我們透過確保明確的決策制定流程、深入的工作整合和可靠的時間表來實現這一點。”

組裝 ITER 所需的大約 1000 萬個元件中的許多元件已在現場。第一個 310 噸的環形場線圈（來自日本）和第一個 440 噸的真空容器扇區（來自韓國）是 2019 年預計在聖保羅-萊迪朗斯交付的特殊貨物。

本文經許可轉載，並於2019 年 5 月 21 日首次發表。