世界最大“人造太阳”昨日启动组装!

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来源: ITER 新闻稿、官方网站 历经十四年筹备,世界上最大的核聚变装置——国际热核聚变实验反应堆(ITER)在法国南部正式开始组装工作,意味着人类距离实现可控核聚变又近了一步。该项目由 35 个国家合作完成,中国提供了磁体馈线、极向场线圈等重要部

来源: ITER 新闻稿、官方网站

历经十四年筹备,世界上最大的核聚变装置——国际热核聚变实验反应堆(ITER)在法国南部正式开始组装工作,意味着人类距离实现可控核聚变又近了一步。该项目由 35 个国家合作完成,中国提供了磁体馈线、极向场线圈等重要部件。

可控核聚变被称为“人造太阳”,能用极少量的清洁燃料产生大量能量,被视为解决能源和气候问题的理想方案。接下来,ITER 计划用 4.5 年完成安装,到 2025 年进行第一次等离子体放电,最终验证核聚变商业化应用的可行性。

图片来源:ITER

图片来源:ITER

当地时间 7 月 28 日,世界上最大的核聚变装置——国际热核聚变实验反应堆(ITER),在法国南部正式开始组装,这也标志着新能源时代的开始。35 个合作国家的领导人通过视频远程参加了庆典。

近几个月,来自世界各地的组件陆续抵达法国,使得 ITER 的组装启动成为可能。这表明共同参与 ITER 国际研究项目的 35 个国家愿意以这种方式来共同应对气候变化。

太阳通过核聚变产生能量,向地球传递光和热,使地球上的生命得以延续。ITER 就是通过模仿太阳的核聚变过程,以达到产生能量的目的。核聚变能够提供清洁、可靠的能源,并且不产生碳排放。核聚变也是安全的,因为它只需要少量的燃料,并且物理上不存在因熔毁而发生泄漏事故的可能。

核聚变的燃料存在于海水和金属锂中,可以持续供应几百万年。一个菠萝大小的核燃料所释放的能量就相当于 1 万吨煤燃烧释放的能量。

建造和运营一座核聚变反应堆的成本与核裂变反应堆的成本相近,但它产生的废弃物不需要花费高昂的成本和漫长的时间进行处理。

一旦 ITER 项目完成,它将证明核聚变可以实现规模化商业运作,持续产生能量。

前所未有的国际合作

上世纪 50 年代,苏联科学家首次提出了托卡马克的概念——磁约束聚变,此后核聚变能量研究一直是国际上广泛合作的领域。ITER 项目于 2006 年诞生,35 个合作国家包括欧盟成员国(加上英国和瑞士)、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。

这些国家总计拥有世界 50% 以上的人口,全球 80% 以上的国内生产总值(GDP),汇集了大量的专业知识和资源,使建造世界上第一个具有工业规模的核聚变装置成为可能。

法国是东道国。欧盟、英国和瑞士是东道主成员国,它们为 ITER 项目提供了 45% 的资金。其他成员国各出资 9%,即美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国。

ITER 成员国的贡献约 90% 以实物形式提供,增加了这个多重机器的国际复杂性。这个机器被称为托卡马克(Tokamak),它来自俄语,意为“磁环”。完成后的托卡马克将由 100 多万个部件组成。

托卡马克装置示意图。图片来源:ITER

托卡马克装置示意图。图片来源:ITER

为了准备机器组装,近几个月来,这些前所未有的巨型部件已经陆续运抵法国。大部分的部件都重达几百吨,长度超过 15 米。这些零件是世界各地工厂、大学和国家实验室 5 年多来的技术结晶。

托卡马克组件必须满足非常严格的规范。它们还必须遵循一个复杂的时间表,按时到达法国。ITER 总干事 Bernard Bigot 博士说:“一部分一部分地组装机器,就像在一个复杂的时间轴上组装一个三维拼图。”

他说:“项目管理、系统工程、风险管理和机器装配物流的每一个方面都必须协同配合,像瑞士手表一样精确。未来几年,我们有一个复杂的流程需要遵循。”

组装工作将于 2025 年 12 月结束。到那时,ITER 项目的科学家和工程师们将进行第一次等离子体放电。

托卡马克将提供多少能量?

ITER 项目的核电站将产生大约 500 兆瓦的热能。如果持续运行并接入电网,产生的能量将转化为大约 200 兆瓦的电能,足够 20 万户家庭使用。

商业核聚变电站可能采用稍大一点的等离子体室,一座电站可以提供的电力相当于 ITER 的 10 到 15 倍。一座 2000 兆瓦的核聚变电站可以为 200 万户家庭供电。

并且,核聚变发电厂运行过程中没有碳排放,也就是说不会释放二氧化碳。但是核聚变技术对解决气候变化问题的贡献取决于核聚变反应堆建造的速度。目前,超过 70% 的碳排放来自于能源的使用,超过 80% 的能源消耗又来自于化石燃料。

Bigot 博士预测说:“如果核聚变能够投入广泛使用,并成为可再生能源的补充,那么电力的使用量将大大提升,由交通、建筑和工业所带来的温室气体排放将减少。实现仅使用清洁能源将是我们这个星球的一个奇迹。”

ITER 都有哪些部件?

ITER 组件建造分工,中国主要参与建造磁体馈线(feeder,左上角)和极向场线圈(PF coils,左下角)。图片来源:ITER

ITER 组件建造分工,中国主要参与建造磁体馈线(feeder,左上角)和极向场线圈(PF coils,左下角)。图片来源:ITER

|低温恒温器

由印度制造的低温恒温器(Cyrostat)是托卡马克真空容器和限制超热等离子体的超导磁体周围的“保温瓶”。

它高 30 米,直径 30 米,是有史以来最大的不锈钢真空室。它包含四个主要部分:底座、下气缸、上气缸和上盖。下筒体的尺寸与巨石阵相当。

低温恒温器的基座部分重 1250 吨,是 ITER 最重的部件。它是第一个被安装到托卡马克坑的主要部件,于 5 月完成安装,以不到 3 毫米的精度固定到位。

低温恒温器的基座。图片来源:ITER Organization/EJF Riche

低温恒温器的基座。图片来源:ITER Organization/EJF Riche

|ITER 磁体

ITER 使用三种紧密结合的磁体来容纳、控制、塑造和脉冲出 1.5 亿摄氏度的等离子体。为了实现超导,磁体内部用 -269 摄氏度的液氦进行冷却,这相当于星际空间的温度。

|环向场线圈

该组件由日本和欧洲制造,其部件来自中国、韩国和俄罗斯。超过 40 家公司参与了这 18 个环向场(TF)线圈的制造。

TF 线圈的作用是限制电离等离子体粒子。每一块磁铁都有四层楼高,重 360 吨。首批两个 TF 线圈已于 4 月份从日本和意大利运抵 ITER 现场。

|极向场线圈

这些环形磁体由中国、欧洲和俄罗斯制造,将安装于 TF 线圈系统之外。极向场(PF)线圈约束等离子体的形状,并使其远离壁面。

共有 6 个PF线圈,直径从 10 米到 24 米不等,重量高达 400 吨。第一个 PF 线圈 5 月份从中国运抵 ITER。第二个由欧洲在装配现场制造。

 在 ITER China 网站上可以查看所有中国制造的部件。网址:http://www.iterchina.cn/index.html 

 在 ITER China 网站上可以查看所有中国制造的部件。网址:http://www.iterchina.cn/index.html 

|中心螺管

中心螺管(Central Solenoid,CS)由美国制造,这是 ITER 磁体组件中最强大的一个。它有时被称为 ITER 的“跳动的心脏”,因为它能够在等离子体中以长脉冲的形式启动一个强大的电流。

中心螺管由六个模块组成,组装后将达到 13 米或 18 米高,并附带支撑结构,重量将达到一千吨。它的磁力将足以吸起一艘航空母舰。

CS 线圈组相互独立运行,将产生巨大的电磁力,拉向不同的方向。支撑结构所要承受的力达到航天飞机升空时推力的两倍。第一个 CS 模块将于 2020 年秋季抵达 ITER 所在地。

|真空容器

真空容器的部件来自韩国(4  个部件)和欧洲(5 个部件),突出的端口由俄罗斯提供。真空容器是一个密封的、甜甜圈形状的不锈钢腔体。在其内部,等离子体粒子可以不接触腔壁,不断地旋转。

真空容器的 44 个端口连接远程操作、诊断、加热和真空系统。容器内表面的包层模块将屏蔽核聚变反应产生的高能中子。

ITER 真空容器(体积 840 m³)中心容纳的等离子体体积是其他托卡马克装置的 10 倍。第一个真空容器部件于 7 月 21 日抵达法国,机器开始组装。

|建筑和土木工程

整个 ITER 工地的建筑和土木工程由欧洲建造,大约完成了 75%。以下是三个示例。

托卡马克厂房和装配大厅已经完工,上方是一台 170 米高的门式起重机,支撑着两台 750 吨重的起重机,用于运输和定位部件。

世界上最大的集中式低温设备,已经完成了 60%。它提供液氮制造超低温,使超导磁体得以运作。这些设备来自中国、印度、瑞典、捷克共和国、芬兰、意大利、日本和法国。超低温管线(cryolines)主要来自印度。

磁体供能转换厂房(Magnet Power Conversion buildings)将交流电转换为直流电,为 ITER 的磁体供能,其电压和电流保持在精确的数值,内部设备由中国、印度、韩国和俄罗斯专门设计。

磁体供能转换厂房示意图,中国提供了其中 14 个变流器。图片来源:https://www.iter.org/newsline/-/2779

磁体供能转换厂房示意图,中国提供了其中 14 个变流器。图片来源:https://www.iter.org/newsline/-/2779

ITER 中心组织负责整合来自世界各地的组件来组装 ITER,包括托卡马克本身的组装以及支持系统的并行安装,支持系统包括射频加热、燃料循环、低温、冷却水、真空、控制和高压电气系统。

主要组装活动将在托卡马克大楼进行,ITER 设备将安装在部分嵌入的混凝土生物防护罩中。在装配阶段,这座建筑将保持洁净和恒温,以避免最大型的部件出现哪怕最轻微的变形。组装、支撑和定位托卡马克组件将用到超过 150 个专用工具,其中一些重达 800 吨。

环形托卡马克将分为 9 个子组件,在邻近的装配大厅内进行预装配。每一个子组件的弧度为 40 度,其中包含一块环形真空容器组件、一个保护性的镀银隔热罩和两个环形磁场线圈。

托卡马克主要部件的尺寸、重量、微小的公差、制造商的多样性以及紧凑的日程安排,使得 ITER 成为一个巨大的工程和物流挑战。组装 ITER 设备将花费 4.5 年的时间。

核聚变反应堆的工作过程

虽然数百个托卡马克已经被建造,但 ITER 项目中的托卡马克将是第一个实现“燃烧”,或者说自加热等离子体的装置。在核聚变反应中,微小的质量可以转化为巨大的能量,主要反应过程如下:

1。 几克氘和氚气体被注入一个巨大的、甜甜圈形状的反应室,即托卡马克;

2。 加热气体,直到它变成云状的电离等离子体;

3。 总重量达一万吨的超导磁体制造并控制电离等离子体;

4。 当等离子体达到 1.5 亿摄氏度,就会发生核聚变,这一温度达到太阳核心温度的 10 倍;

5。 核聚变产生的超高能中子逃逸出磁笼,以热的形式传递能量;

6。 在托卡马克水冷壁内循环的水可以吸收逸出的热量并产生蒸汽,在商业反应堆里,这一过程带动蒸汽涡轮机发电。

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