IT之家 7 月 3 日消息,在寻找无碳清洁能源的道路上,核聚变可能是最可行的解决方案,因为它可以根据需求启动和停止反应。
目前,30 多个国家(包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等等)正在法国合作建造国际热核聚变实验反应堆(ITER)。“ITER”在拉丁文中意为“道路”,因此这个实验的缩写“ITER”也意味着和平利用核聚变能源之路。
![▲ 图源;ITER](http://n.sinaimg.cn/spider20240703/107/w1024h683/20240703/7f75-47e6356d8b67576f0295380e35cc2ebf.jpg)
当地时间 7 月 1 日,随着 19 个巨大的环形场线圈运抵法国南部,ITER 宣布聚变能项目来自日本和欧洲的大型环形场线圈完工并交付。这标志着该反应堆设计过程的结束,距离投入使用仅一步之遥。
如图所示,D 型的环形磁场线圈将被放置在 ITER 的真空容器周围,这是一个类似于甜甜圈状的腔室,也就是“托卡马克”。在容器内部,轻原子核将聚变成较重的原子核,并释放出巨大的能量。
![▲ 线圈及容器的安装示意图](http://n.sinaimg.cn/spider20240703/101/w901h800/20240703/addd-c36db1b5a2dac766dfd9a40090716295.png)
简单来说,科研人员将“燃料”(氘和氚)以气体的形式注入托卡马克装置,然后将电流通过气体使其电离成等离子体,也就是物质的第四态(由原子核和电子组成的“云”)。
然后,等离子体将被加热到 1.5 亿摄氏度(相当于 10 倍太阳核心温度)。在这一温度下,轻原子核的速度将被加速到足够高,从而碰撞并“聚合”。为了塑造、限制和控制这种极其炽热的等离子体,ITER 就必须为其加载一个无形的磁场笼,使其精确贴合真空容器的形状,也就是这里用到的巨型线圈。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240703/268/w640h428/20240703/32dc-d22eeb67786b9cd4fde3c305d5f23d4a.png)
ITER 这里使用的是“铌锡”和“铌钛”作为其巨型线圈的材料,相信大家或多或少听说过。制造 19 个环形场线圈需要 8.7 万多公里的细线,这些线束主要是在中国、欧洲、日本、韩国、俄罗斯和美国生产。
通电后,这一线圈就会变成电磁体。然后,科研人员就会用液氦将其冷却到 -269℃ (4 开尔文) 时,它们此时就会变成超导体。
为了能够精确获得所需磁场,ITER 采用了三种不同的磁体组。18 个 D 形环形磁场线圈将等离子体限制在容器内,还有 6 个环形叠加的偏置场线圈水平环绕托卡马克装置,共同控制等离子体的位置和形状。
在托卡马克的中心,圆柱形中央螺线管可利用能量脉冲在等离子体中产生强大电流。据介绍,ITER 的等离子体电流峰值将达到 1500 万安培,这也创下了全球托卡马克装置新纪录。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240703/0/w1536h864/20240703/0078-df9e477e42d93014600b79e9eca884c7.jpg)
据介绍,这里用到的线圈是由欧洲和日本机构赞助并制造的,高 17 米,宽 9 米,重约 360 吨。此外,其适用的不锈钢外壳重约 200 吨,足以抵抗 ITER 运行期间产生的巨大力量。
安装完成后,这些环形磁场线圈将作为一个整体共同运行,这也是有史以来最强的磁体。它们将产生总共 41 吉焦耳的磁能,相当于是地球磁场的 25 万倍左右。
组装完成后,ITER 聚变反应堆将产生 500 兆瓦的峰值热能。如果连接到电网,将能够持续产生 200 兆瓦的电力,可满足 20 万户家庭的用电需求。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240703/476/w820h456/20240703/464e-0a13e23aa762de418e89c1124214b36a.jpg)
公开资料显示,ITER 科学装置的核心是托卡马克综合体,高 80 米(包括地下室),长 120 米,宽 80 米,这也是 ITER 平台的主体。这座七层高的建筑不仅将容纳 ITER 托卡马克,还将容纳 30 多个用于机器运行的不同的工厂系统。
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240703/392/w820h372/20240703/9571-0c37e7bc42bf2201410eeb9fe32591ee.jpg)
该反应堆仅设计过程就耗时 20 年,制造工作横跨三大洲;其建设工作始于 2013 年,计划用 10 年完成建设,并运行 20 年,截至 2015 年投资就已经超过 140 亿美元(IT之家备注:当前约 1020.53 亿元人民币),预计于 2025 年正式开始等离子体实验,2035 年进一步开始进行全氘 - 氚聚变实验。
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