ITER：在地球上建造微型太阳

ITER，核聚变之路

ITER 是国际热核实验反应堆的缩写，在拉丁语中意为“道路”，是世界上最大的核聚变能源生产项目。

ITER项目由欧盟（27个国家）、中国、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国七方出资和运营，并与澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦和泰国签订了合作协议。

英国在欧盟时期曾参与该计划，并于 2023 年停止参与。

来源: 科技日报

理论上，ITER可以成为商业核聚变的原型和实验演示器，为人类带来几乎无限的廉价能源。

这将使绿化沙漠、减少二氧化碳排放或建立太空文明等任务变得几乎变得微不足道。

因此，虽然可能需要一段时间才能取得成果，但其潜力是如此巨大，它可能会成为有史以来最重要的大型项目之一。

核聚变

无限的权力

核聚变与传统核能（裂变）不同，它利用的是极轻元素。它不是分裂铀等重原子，而是将极轻原子（通常是氢）合并在一起。

从理论上讲，这使得核聚变成为无限能量的来源，因为氢是宇宙中最常见的物质形式。

这一过程产生了大量能量，比核裂变和恒星能量来源产生的能量高出3至10倍。

来源: 自然

一克 氘氚 燃料混合物在 核聚变 相当于11吨煤。一个人一生的能源消耗仅靠手中的一瓶燃料就能满足。

核聚变的优势

核聚变不仅能提供大量能源，而且还具有其他能源无法比拟的一些关键优势：

• 地球海洋和地表水中氘的储量十分丰富，基本上是无限的，地球上的每个国家都可以平等地利用。
• 核反应不会产生放射性废物，只产生化学上无害的氦。
  • 该反应也不会产生二氧化碳或其他对环境有害的产物。
• 由于核聚变不会产生浓缩铀、钚或其他放射性物质，因此不存在核扩散（核武器级材料）的风险。
  • 这将使核聚变成为一种中性技术，而不受核裂变技术的限制。
• 不存在熔毁或失控链式反应的风险。实际上，这种反应很难维持，任何故障都会立即导致等离子体破坏，从而中断核反应和能量生产。
• 如果核聚变能够自我维持并且具有很强的能量效益，那么其运行成本预计会和基于核裂变的核电站一样便宜，甚至更便宜。
  • 通过反复建造相同的反应堆设计，进一步的技术进步和规模经济应该会随着时间的推移降低成本。

融合很难

考虑到所有这些，为什么我们还没有利用核聚变来为人类文明提供动力？

嗯，问题是核聚变很难实现。氢原子的原子核带有正电荷，自然会相互排斥。因此，很难让它们彼此靠近到足以进行聚变的程度，就像两块超强磁铁相互排斥一样。

在自然界中，只有整颗恒星的巨大引力才足以将氢原子推得足够近，从而引发聚变。即使是像木星这样大的物体也“太小”无法实现这一点。因此，在地球上让氢原子靠近是非常非常困难的。

然而，这已经实现，1950 世纪 XNUMX 年代首次由聚变机器实现。这些机器证明了产生聚变的可行性，但与触发聚变所用的能量相比，未能返回足够的能量。

(T从技术上讲，早在 1952 年第一颗热核弹就实现了大规模核聚变，但这对于创建安全电源来说几乎不是一种可用的技术).

核聚变的另一个问题是核聚变等离子体温度极高，通常超过 100 亿摄氏度。因此，它需要被完美地控制住，否则会熔化反应堆。

由于所有这些问题都有待解决，核聚变一直是一个进展缓慢的领域，有一句讽刺的评论说，“核聚变永远是未来 30 年的事情“。

让核聚变在地球上发生

多年来，科学家一直在实验反应堆中实现核聚变。主要有两种设计：

• 一个依靠激光，集中大量能量撞击微小的氢弹并引发聚变。
• 另一种方法是使用一种称为托卡马克的甜甜圈形机器和超强磁铁来容纳氢气并将其压缩成自燃等离子体。

核聚变的问题在于，创造数千万度高温的合适条件非常耗能。所以，即使我们能够实现，核聚变反应往往无法产生足够的能量，最终成为能源的净消耗者。

等离子体也非常不稳定，因此很难维持聚变反应超过几秒钟。

第一台托卡马克于 1958 年建成，它们被认为是最有可能维持几分钟甚至几小时的聚变并产生正能量回报的设计。

来源: 美国能源部

ITER 采用托卡马克设计，将成为有史以来最大的核聚变反应堆，其等离子体体积将是迄今为止最大的反应堆的 10 倍（JT-60SA 在日本，水容量为 830 立方米（29,000 立方英尺）。

来源: 国际热核实验堆

ITER时间表

ITER 是国际托卡马克反应堆（INTOR）的继承者，后者是西方国家与日本和苏联于 1978 年开始的合作项目。

即使在冷战最激烈的时候，双方的合作仍会持续下去。第一个目标是在 1992 年确定的，第一个工程设计活动 (EDA) 于 1998 年完成，设计于 2001 年得到验证。

关于最终设计方案、由哪个国家资助以及反应堆应建在何处等问题的激烈讨论，导致该项目一度被推迟，直到 2005 年才选定了法国卡达拉舍的厂址。

来源: 维基百科上的数据

在此期间，中国和韩国于 2003 年加入了该项目，印度于 2005 年加入了该项目。初期建设工作于 2007 年开始。

机器组装于 2020 年开始， 1,250 年 2020 月安装 XNUMX 吨低温恒温器底座。该场址的土建工程于2023年完工。

低温恒温器应于 2033 年关闭。2036 年应实现完全磁能，2039 年开始氘氚运行阶段。

ITER 的预算

ITER 的初始预算预计“仅为”6 亿欧元的建设成本，但正如 科学大工程，目前估计为 $25.2 十亿，而美国其他估计 能源部 预计成本将超过 65 亿美元，但 ITER 对此予以坚决否认.

该项目迄今已创造了 34,000 个“就业年”，并将在建设完成前再创造 74,000 个就业年。

ITER 的目标

等离子室越大，它越有可能足够稳定以产生正能量回报。

但当然，规模越大，就越昂贵，越复杂。

ITER 的既定目标是 实现比注入热能高出 10 倍的热能生产. 聚变脉冲可持续长达8分钟。

结合起来， 这意味着只需 500-400 秒就能产生 6000 兆瓦的热量。其温度将达到 150 亿摄氏度，相当于太阳核心温度的 10 倍。

为了实现这些目标，ITER 需要实现所谓的“燃烧等离子体”，即等离子体所接收的能量中超过一半来自聚变反应（而不是来自外部刺激）。对于任何使用核聚变的能源正向商业发电厂来说，燃烧等离子体都是必须的。

ITER 产生的能量不会转化为电能，因为这是一个技术演示，将热能转化为电能是一项众所周知的技术，已在使用铀的商业裂变核电站中常规使用。

该反应堆的另一个目标是在现实条件下测试尚未证实的关键技术，如超导磁体、远程处理（机器人维护）、中子屏蔽、热转换和氚增殖概念（见下文）。

DEMO 聚变反应堆

ITER 之后将是 DEMO级反应堆s，重复使用 ITER 设计（可能通过实验反馈得到改进），这些将形成 1^st 建立商业化核聚变发电厂。

DEMO 反应堆预计将产生 300 兆瓦至 500 兆瓦的净电力并输送到电网。

主要演示项目包括：

• 中国: T中国聚变工程试验反应堆（CFETR） 设计于2020年完成，预计2040年建成。
• 欧洲: DEMO 发电厂 应在 2050 年建成。该项目的前身是建造一座 基于等离子体的体积中子源（VNS）设施 用于测试用于 DEMO 的技术。
• 日本：JA-DEMO 将于 2040 年代至 2050 年代建成，目标是实现数百兆瓦以上的稳定发电量以及 1500 兆瓦或更高的聚变输出功率。
• 韩国 ：K-DEMO将在2050年后建成，之前将先建设基于超级计算、人工智能、数字孪生技术的虚拟DEMO（V-DEMO）。
• 俄罗斯：DEMO-RF 应于 2055 年建成。此外，还正在考虑建设聚变-裂变混合设施。
• 印度：该国将首先重点建设一座 200-300 兆瓦的聚变试验工厂，然后再建造一座 DEMO 反应堆。
• 美国：美国能源部仍在考虑下一步措施，包括与私营公司合作采取 ITER 之后的措施。

氚育种

作为一个处于科学最前沿的项目，有很多概念需要通过实验来验证。

其中一个关键问题是氚的生产，因为ITER设计依赖于氘和氚（都是氢的同位素）的聚变。

来源: 气候与希望

氘-氘是理想的选择，因为氘是一种天然存在的元素，但这会使人工聚变变得更加困难，因为所需的温度更高。

问题在于，氚在自然界中并不存在，需要在核电站人工生产（全球每年 20 公斤）。但 ITER 会消耗地球上所有的氚产量。

无论如何，未来的核聚变反应堆将没有足够的氚来产生能量，因为每个聚变反应堆每年需要 100 到 200 公斤。

因此，需要在反应堆内部直接生产氚，这就是“氚增殖包层”的任务。

反应堆壁上覆盖着一层 600 平方米的盖子，其中含有锂，它肩负着双重任务：一是被中子击中时产生能量（未来发电的基础）；二是通过分解锂原子产生氚。

来源: C＆EN

值得注意的是，通过增加中子数量，铍等中间元素可确保每次核聚变反应至少“再生”1个氚。

总共有 6 种不同的氚增殖系统将在 ITER 中进行测试，以确定最佳的材料结构、冷却系统、液态与固态锂、锂提取方法等。

ITER的设计

建筑本身

虽然 ITER 工程的有趣之处在于用于核聚变的先进技术，但建筑本身非常庞大，不仅包含高科技元素，还包含所有支撑结构、能源供应、冷却系统、维护系统等。

来源: 国际热核实验堆

ITER 反应堆本身也十分庞大，重达 23,000 吨，相当于埃菲尔铁塔重量的 3 倍。总计有 400,000 吨将放置在托卡马克综合设施的下层基座上，这比纽约帝国大厦的重量还要重。

来源: 国际热核实验堆

为了处理所有这些问题，托卡马克综合设施建设的土木工程阶段使用了约 120,000 立方米混凝土，并在现场直接建造了一个大型混凝土厂，以生产各种混凝土配方，每种配方都适应 ITER 建筑物和结构的具体要求。

该建筑还采用抗震隔离器建造，并受到防核钢筋混凝土结构的保护。

物流与基础设施

ITER 项目的另一个“基本”问题是将世界各地专业研究机构建造的所有大型部件运送到现场的物流问题。

例如，ITER托卡马克的18个D型环向场线圈每个重达310吨，包括运输车在内的最重元件重达900吨，必须通过海运而非空运进行运输。

然后，它们通过一条经过特别改造的 104 公里（64 英里）道路进行运输，因为其中一些构件长达 33 米（108 英尺）。

该安装还需要 400 kV 电力线延长线和用于办公室、车间、设备存储和舒适设施的大量设施。

来源: 国际热核实验堆

由于施工本身通常需要在狭小的空间内进行，因此需要设计 100 多个定制设备来组装 ITER 机械和建筑物。

来源: 国际热核实验堆

托卡马克的组装，它有 1,000,000 多个组件，本身就是一个项目。

超导磁铁

在 ITER 机械的核心中，磁铁将使用铌锡 (Nb3Sn) 超导线。总共需要 100,000 公里（62,000 英里）的超导线，足以绕地球赤道两圈。

来源: 国际热核实验堆

这需要大规模的工业生产努力。在 ITER 扩大规模之前，全球铌锡线产量仅为 15 吨/年。中国、欧洲、日本、韩国、俄罗斯和美国将其产量提高到 150 吨/年。

低温装置和冷却塔

超导磁体只有在超冷状态下才会呈现超导性（无电阻）。超冷温度仅比绝对零度高出 4.5 摄氏度。

因此，他们需要低温装置，这是一种足球场大小的装置，可以储存氦和氮来冷却它们并将这些气体转化为超冷液体。

来源: 国际热核实验堆

每天50吨的液氮被用作液氦工厂的预冷器，液氦则用来冷却磁体。运行期间，ITER装置内将有近25吨温度为零下269℃的液氦循环。

在磁体需要超冷的同时，核聚变会产生1150MW的峰值热负荷，需要抽空，这就是冷却塔的任务。

注入化学药品可最大程度减少管道腐蚀并保持水的所需 pH 值。臭氧生成系统可持续注入臭氧，从而消耗有机物并防止细菌生长。

磁能转换建筑

另一个支持磁铁的系统，电力转换将电网交流电转换为超导磁铁可用的直流电。

由于所用电流强度巨大，传统电缆无法用于将电力输送至磁铁。

取而代之的是，使用钢套铝条（称为“母线”），通过恒定的加压水流主动冷却。它们本质上是电源线，但比火车轨道厚。

来源: 国际热核实验堆

总计 5 公里（3.1 英里）的双极母线将穿过 ITER 综合体。

中性束注入器

一旦电源和磁铁开始运转，ITER就需要注入氘来为聚变反应提供动力。

该光束将使用电流将粒子加速到极高的速度，并注入所需的 33 兆瓦输入功率中的 50 兆瓦。然后它“中和”它们，使它们能够穿过磁场并将其能量传递给等离子体。

这将使用超过 1MW 的直流电压，这是一个非常大的量。它将需要定制组件，超越最先进的水平，并安装在 11,700 平方米（126,000​​XNUMX 平方英尺）的建筑中。

来源: 国际热核实验堆

由于这是一个关键组件， 中性束测试设施（NBTF） 在意大利帕多瓦建成。这将有助于解决一些技术障碍，例如，ITER 中使用的粒子束比以前的核聚变实验中使用的粒子束要粗得多。

以这种规模中和离子也可能很困难，在安装到 ITER 之前需要对实际结果进行测试。

来源: 国际热核实验堆

回旋加速器加热

用于等离子体的其他热源是电子和离子回旋加热系统。这包括电子回旋共振加热 (ECRH) 和离子回旋共振加热 (ICRH)。

它们依靠高频电磁波对等离子体中的粒子产生共振效应，将电力/热量远程传输到反应堆核心。ECHR 使电子以 170 GHz 的频率产生共振，而 ICRH 使等离子体中的离子以 40-55 GHz 的频率产生共振。

ITER 的竞争对手

ITER项目规模如此庞大，许多参与其早期设计的科学家可能无法亲眼见证它的运行。

这种野心也可能是该项目的一个限制。该项目主要基于 1990 世纪 2000 年代末和 XNUMX 世纪初的核聚变技术设计，缺乏假设和技术选择。

这是因为，从那时起，新的核聚变概念已经出现，一些私营公司正在探索使用更轻的机器实现核聚变的方法。

这甚至导致一些批评者称 ITER 已经“过时”。ITER 的国际性质导致一定程度的官僚主义和政治干扰了科学研究，这也被认为是一个问题。

我们讨论了许多这样的核聚变公司（大部分是私人上市的），比如 一般融合, TAE技术, Helion公司及 洛克希德马丁公司 在我们的文章“核聚变——即将出现的终极清洁能源解决方案”，其中还讨论了实现核聚变的托卡马克设计的替代方案。

这些公司可能取得的一些技术突破不会出现在ITER的设计中，其中包括：

• 磁化目标聚变 (MTF) 技术.
• 反应堆组件的 3D 打印。
• 等离子枪，可能更多地用于聚变空间推进而不是用于能量生产。
• 直接从等离子体中捕获电能，利用法拉第定律产生电流而不是收集热量。

十二月2024， 联邦聚变系统公司 (CFS) 宣布，其 ARC 反应堆的目标是为弗吉尼亚电网提供 400 兆瓦的电力足以为 150,000 户家庭供电，将于 2030 年代初开始使用（CFS 使用高温超导磁体）。

其他技术也可能有帮助。其中最重要的一项是 人工智能可用于实时检测和纠正等离子体不稳定性.

另一个是 潜在的室温超导材料，现在比以往任何时候都更接近.这将从根本上改变反应堆聚变的能量消耗，使其磁铁更加节能和可靠。

结语

ITER可能是人类历史上最重要的举措之一，其规模与阿波罗计划相当，甚至更为重要。

尽管私人项目有可能在IT​​ER之前实现商业化核聚变，但这也远不能确定。

如果核聚变是一项需要巨型反应堆实现能量正向且经济可行的技术，那么很可能只有像 ITER 这样的国际努力才能实现它。

即使失败了，它也将发展工业基础，并通过其他设计选择培养找到核聚变关键所需的科学人才。所以无论如何，这都不能算作浪费；尤其是考虑到核聚变能对人类的影响。

未来，我们可以预期类似 ITER 的设计将通过新技术得到改进，包括人工智能、室温超导体、直接电能捕获等。

然而，ITER 还需要十多年的时间才能开始进行实验，这使得它成为本世纪最受期待和最受期待的科学项目之一。

ITER相关公司

三菱重工

ITER 建造的许多部件都是由核研究机构设计的独一无二的部件。但许多其他部件是由参与国的行业领导者建造的，他们将制造和工程专业知识带到了这个科学大项目中。

重要贡献者是三菱重工。

该公司的历史可以追溯到 1884 年，当时从事造船业。后来，它开始制造重型机械、飞机、火车和汽车。

1995年，三菱原子能工业公司并入该集团，并在日本建造了24座反应堆。

如今，该公司的主要收入来源是能源系统（核能、天然气和蒸汽系统）以及物流和热能（暖通空调、发动机、涡轮增压器）。该公司是全球燃气轮机和二氧化碳捕获系统领域的领军企业。该公司在全球 1 个地区拥有 77,000 多名员工。

来源: 三菱重工

三菱为ITER的许多核心部件做出了贡献，包括环形场线圈（磁体）、偏滤器（等离子体约束）以及等离子体加热系统等高热通量部件。

来源: 三菱重工

除了 ITER 之外，该公司还打算利用日本核工业的重启以及全球核项目不断增加的机会。该公司还 计划开发自己的 SMR 技术以及快堆（燃烧核废料）和高温气冷堆技术。

不断增长的国防预算也将使公司的航空航天和造船部门受益。

在未来技术方面，三菱致力于绿色氢气和绿色氨的生产，包括在新加坡实施世界上第一个氨加注项目，利用氨代替燃料和天然气为船舶和燃气轮机提供动力。

碳捕获以及数据中心的高效冷却也可能成为一种日益增长的绿色活动。

来源: 三菱重工

总体而言，三菱重工在未来的很多关键技术领域处于领先地位，尤其是在冷却、能源生产（天然气和核能）和造船领域，因为它被选中建造ITER的许多最重要部件。