國際托卡馬克裝置

托卡馬克，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的名字Tokamak 來源於俄語“環形、真空室、磁、線圈”的詞頭組成。它是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在 20 世紀 50 年代發明的。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的電漿加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

1985 年，前蘇聯領導人戈巴契夫和美國總統里根在日內瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動“國際熱核聚變實驗堆(ITER)”計畫ITER 計畫的目標是要建造一個可自持燃燒的托卡馬克核聚變實驗堆。

基本介紹

• 中文名：國際托卡馬克裝置
• 外文名：International Thermonuclear Experimental Reactor Tokamak
• 簡稱：ITER
• 別名：人造太陽
• 基本釋義：國際合作的核聚變實驗堆
• 歸屬學科：核能

托卡馬克裝置簡述

托卡馬克即是依據電漿約束位形而建立的磁約束聚變裝置。裝置主體是一個環形的真空室，用以形成電漿約束放電所需封閉的真空條件。真空室外部纏繞著縱場磁體線圈，用以形成環形的主約束磁場。同時裝置沿大環方向設定了多組極向場線圈，用以形成平衡電漿所需的外加極向場。在這些磁體線圈的作用下，可以在真空室內部形成穩定的約束區，以維持電漿的放電運行。典型的托卡馬克裝置如圖1所示。

圖1

上述幾組磁體線圈只是維持托卡馬克電漿位形的基本條件，而實際中的托卡馬克裝置是更為複雜的系統。現代托卡馬克裝置除了磁體系統外還配置有加熱系統、真空系統、送氣系統、製冷系統、偏濾器系統、電源系統、診斷系統，以及其它多種先進的實驗系統。加熱系統早期主要使用一組與電漿稱合的歐姆加熱線圈提供初始電漿，結合多種輔助加熱措施可實現更高參數的電漿放電運行。真空系統用於維持真空室內部的高真空環境，同時排除反應中產生的氦灰以及其它雜質。送氣系統主要用於注入反應所需的原料氣體。製冷系統則用於在超導托卡馬克裝置中維持導體的低溫環境。偏濾器系統用於產生偏濾器位形的電漿，以實現更高參數的放電。電源系統用於對磁體系統、加熱系統等大功率系統供電。診斷系統主要用於對放電運行中的電漿參數進行測量。雖然在托卡馬克電漿的實驗中已經取得了極大的進展，但由於電漿性質複雜，裝置磁場位形控制困難，相關技術仍存在極大的發展空間。托卡馬克裝置的設計、運行、控制相關的原理、技術、設備仍然是未來聚變堆工程技術研究領域的重點。

國際托卡馬克裝置ITER

近50年的世界性研究和探索使托卡馬克途徑的熱核聚變研究已基本趨於成熟，但是，在達到商用目標之前，基於托卡馬克的聚變能研究和開發計畫還有一些科學和技術問題需要進一步探索。隨著國際上眾多大中型托卡馬克的巨大進展，為了驗證托卡馬克能夠實現長時間的聚變能輸出，解決聚變堆最重要、最關鍵的工程技術問題以及適應未來高效、緊湊和穩態運行的商業堆的要求，國際熱核聚變實驗堆(ITER)應運而生。

1985 年，前蘇聯領導人戈巴契夫和美國總統里根在日內瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動“國際熱核聚變實驗堆(ITER)”計畫。ITER 計畫的目標是要建造一個可自持燃燒的托卡馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示範堆及商用聚變堆的物理和工程問題做深入探索。

ITER計畫

三個階段

ITER 計畫分三個階段進行：第一階段為實驗堆建設階段，從 2007 年到 2021 年；第二階段為熱核聚變運行實驗階段，持續20年，其間將驗證核聚變燃料的性能、實驗堆所使用材料的可靠性、核聚變堆的可開發性等，為大規模商業開發聚變能進行科學和技術認證；第三階段為實驗堆退役階段，歷時5年。

具體科學計畫目標

ITER 具體的科學計畫是：在為期十年的第一階段，通過感應驅動獲得聚變功率 500 MW、Q 大於 10、脈衝時間 500 s 的燃燒電漿；第二階段，通過非感應驅動電漿電流，產生聚變功率大於350 MW、Q大於5、燃燒時間持續3000 s的電漿，研究燃燒電漿的穩態運行，這種高性能的“先進燃燒電漿”是建造托卡馬克型商用聚變堆所必需的。如果約束條件允許，將探索Q大於30的穩態臨界點火的燃燒電漿(不排除點火)。

ITER 計畫科學目標的實現將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學和工程技術基礎。ITER 計畫的另一重要目標是通過建立和維持氘—氚燃燒電漿，檢驗和實現各種聚變工程技術的集成，並進一步研究和發展能直接用於商用聚變堆的相關技術。因此，ITER也是磁約束聚變技術發展的重要階段。在過去十餘年中，與建設 ITER 有關的技術研發已經基本完成，建造 ITER 的技術基礎已經基本具備。ITER 計畫在技術上的其他重要任務包括：檢驗各個部件在聚變環境下的性能，包括輻照損傷、高熱負荷、大電動力的衝擊等，以及發展實時、本地的大規模。制氚技術等。上述工作是設計與建造商用聚變堆之前所必須完成的，而且只能在 ITER 上開展。國際上對 ITER 計畫的主流看法是：建造和運行ITER 的科學和工程技術基礎已經具備，成功的把握較大；再經過示範堆、原型堆核電站階段，聚變能商業化套用可在本世紀中葉實現。

國際托卡馬克裝置建設意義

ITER 計畫將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，第一次在地球上實現能與未來實用聚變堆規模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的關鍵問題，其目標是全面驗證聚變能源和平利用的科學可行性和工程可行性。

更為重要的是，利用在 ITER 取得的研究成果和經驗，將有助於建造一個用聚變發電的示範反應堆，示範堆的順利運行將有可能使核聚變能商業化，因此 ITER 計畫是人類研究和利用聚變能的一個重要轉折，是人類受控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步。

參加 ITER 計畫的七方總人口大約占世界的一半以上，並幾乎囊括了所有的核大國。ITER計畫是一次人類共同的科學探險。各國共同出資參與 ITER 計畫，不僅是共同承擔風險，而且集中了全球頂尖科學家的智慧，同時在政治上體現了各國在開發未來能源上的堅定立場，使其成為一個大的國際科學工程。

因此 ITER 計畫絕對不僅僅是各國共同出資建一個裝置的事情，它的成功實施具有重大的政治意義和深遠的戰略意義。參加 ITER 計畫的七方總人口大約占世界的一半以上，並幾乎囊括了所有的核大國。ITER計畫是一次人類共同的科學探險。各國共同出資參與 ITER 計畫，不僅是共同承擔風險，而且集中了全球頂尖科學家的智慧，同時在政治上體現了各國在開發未來能源上的堅定立場，使其成為一個大的國際科學工程。因此 ITER 計畫絕對不僅僅是各國共同出資建一個裝置的事情，它的成功實施具有重大的政治意義和深遠的戰略意義。