熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆開啟“無限能源”時(shí)代

對(duì)世界各國來說，ITER計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)核聚變能源的渠道，促進(jìn)全球核能研究快速發(fā)展。

1985年，在美蘇首腦的共同倡議下，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃得以確立。目前，該計(jì)劃由歐盟、俄羅斯、日本、美國、中國、韓國和印度— —總?cè)丝谡际澜缫话胍陨系钠叻焦餐瑢?shí)施。

據(jù)了解，此大型國際合作計(jì)劃探索利用磁約束方式來實(shí)現(xiàn)核聚變能源，是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的重大國際科學(xué)工程之一，也是人類歷史上的一個(gè)創(chuàng)舉。

1988年，ITER開 始 設(shè) 計(jì)，并 于2001年完成ITER《工程設(shè)計(jì)最終報(bào)告》。該計(jì)劃集成當(dāng)今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果，首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)堆。

憑借這個(gè)功率為50萬千瓦的核聚變超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（真空室高度約三層樓高（11.3米），重達(dá)8000噸，比埃菲爾鐵塔還重；另一個(gè)360噸的TF線圈與一架波音747重量相當(dāng)），ITER將研究解決大量工程技術(shù)難題，是人類實(shí)現(xiàn)受控核聚變能源研發(fā)走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步，標(biāo)志著人類有了更具革命性的力量去改造自然。

曲折的“融入”之旅

我國加入ITER計(jì)劃經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)曲折的過程。

20世紀(jì)90年代，我國曾先后兩次申請(qǐng)加入，但都因?yàn)槊绹姆磳?duì)未能如愿，直到2003年前夕，在美國暫時(shí)退出計(jì)劃后，我國分別與當(dāng)時(shí)的ITER“四方”歐盟、日本、俄羅斯和加拿大會(huì)談后，得到支持；隨后美國也重返了ITER計(jì)劃。

2006年11月21日，中國政府代表與包括歐洲原子能共同體在內(nèi)的其他六方代表在法國巴黎總統(tǒng)府愛麗舍宮共同簽署了ITER計(jì)劃《聯(lián)合實(shí)施協(xié)定》（簡稱《ITER協(xié)定》），法國總統(tǒng)希拉克和歐盟委員會(huì)主席巴羅佐出席了簽字儀式，中國也非常榮幸成為繼東道主法國后，受特別邀請(qǐng)作為在儀式上第二個(gè)發(fā)言的國家。

根 據(jù)《ITER協(xié) 定》，該 計(jì) 劃 從2007年開始，歷時(shí)35年，總投資約為86億美元加8.11億歐元。隨著ITER計(jì)劃的深入實(shí)施，2016版《ITER基準(zhǔn)》中，計(jì)劃總投資調(diào)整為約180億歐元，計(jì)劃總時(shí)間不變。

當(dāng)前，該計(jì)劃主要是完成國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）裝置的建設(shè)、安裝、調(diào)試，預(yù)計(jì)2025年底實(shí)現(xiàn)第一等離子體放電；再經(jīng)過10年的后續(xù)實(shí)驗(yàn)和測試，2035年ITER裝置進(jìn)入氘氚運(yùn)行實(shí)驗(yàn)階段，這將是這項(xiàng)工程的重要節(jié)點(diǎn)；2040年，ITER裝置完成實(shí)驗(yàn)，處于去活化和退役階段。2050年前后，將完成聚變能原型電站的建設(shè)和運(yùn)行，開始商業(yè)化應(yīng)用。

從技術(shù)上看，ITER計(jì)劃主要有三個(gè)難點(diǎn)需要突破。首先等離子體穩(wěn)態(tài)燃燒；其次是氚的自持（即通過聚變裝置產(chǎn)生維持聚變反應(yīng)所需的氚，不需要外部輸入），因?yàn)殡霸谧匀唤缰袔缀鯖]有，衰變很快，需要通過鋰轉(zhuǎn)化而來，成本很高，所以要做到氚的自持；再次是托卡馬克裝置內(nèi)部達(dá)到1億度，壁的材料必須是高抗輻射材料。

據(jù)測算，1千克核聚變?nèi)剂纤a(chǎn)生的電能大約等同于1.1萬噸標(biāo)煤燃燒；1升海水中所含的氫的同位素，經(jīng)核聚變反應(yīng)可提供相當(dāng)于300升汽油燃燒后釋放的能量。未來的核聚變電站不僅能產(chǎn)生電力，而且多余的能源可用于制氫，把氫作為儲(chǔ)能中介。目前，核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆還不具有商業(yè)發(fā)電的能力。只有核聚變所反應(yīng)產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于輸入能量后，才能稱作真正意義上的可用能源。

其后的飛速前行

我國磁約束核聚變能研究始于20世紀(jì)60年代，一直以實(shí)現(xiàn)受控磁約束核聚變?yōu)橹饕繕?biāo)。

1965年成立核工業(yè)西南物理研究院；1978年成立了中國科學(xué)院等離子體物理研究所等專業(yè)院所。1984年自主設(shè)計(jì)建成了我國磁約束核聚變領(lǐng)域的第一座大科學(xué)工程裝置——中國環(huán)流一號(hào)（HL-1），隨后相繼建成中國環(huán)流器系列裝置。2006年自主設(shè)計(jì)建成了世界第一座全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置——東方超環(huán)（EAST）。

正式加入ITER計(jì)劃后，作為平等成員方，我國承擔(dān)了ITER建設(shè)階段9.09%和運(yùn)行、退役階段10%的經(jīng)費(fèi)，享有ITER 100%的技術(shù)成果使用權(quán)。截至2017年，我國已有超過30個(gè)科研機(jī)構(gòu)、35家企業(yè)、超過3400名科學(xué)家和2700名研究生參與該計(jì)劃。

與此同時(shí)，我國與ITER組織陸續(xù)簽署18個(gè)采購安排協(xié)議，在采購包質(zhì)量和進(jìn)度方面長期處于7個(gè)成員方的領(lǐng)先地位，連續(xù)被三任總干事評(píng)價(jià)為最有價(jià)值的成員國之一。目前，我國在核聚變堆設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件的研發(fā)和制造（如超導(dǎo)磁體、超熱負(fù)荷第一壁部件）等方面已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。我國研發(fā)的ITER部件已實(shí)現(xiàn)100%的產(chǎn)業(yè)化。通過全面參加ITER計(jì)劃，我國不但掌握了眾多科學(xué)技術(shù)，同時(shí)也深度學(xué)習(xí)了國際大科學(xué)工程計(jì)劃的管理。

當(dāng)前，我國聚變界制定了發(fā)展路線圖，已著手建設(shè)中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR），這是我國消化、吸收ITER計(jì)劃產(chǎn)生的100%知識(shí)產(chǎn)權(quán)，自主設(shè)計(jì)和研制并通過國際合作開展的重大科學(xué)工程。

2017年11月28日和29日，在北京召開的“ITER十年——回顧與展望”會(huì)議上，國際核聚變專家聯(lián)合發(fā)表《北京聚變宣言——支持中國聚變能源發(fā)展》，支持中國建設(shè)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR。CFETR計(jì)劃分三步走，第一階段到2021年，完成工程設(shè)計(jì)，啟動(dòng)立項(xiàng)建設(shè)；第二階段計(jì)劃到2035年建成聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，開始大規(guī)模科學(xué)實(shí)驗(yàn)；第三階段計(jì)劃到2050年，在實(shí)驗(yàn)堆成功基礎(chǔ)上，建成聚變商業(yè)示范堆。

2020年7月28日，習(xí)近平總書記在給ITER計(jì)劃重大工程安裝啟動(dòng)儀式的賀信中說到，ITER計(jì)劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望，我國愿繼續(xù)同各方加強(qiáng)科研交流合作，合力突破重大關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)，推進(jìn)全球科技創(chuàng)新，為增進(jìn)各國人民福祉、實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展不斷作出新貢獻(xiàn)。該儀式也預(yù)示著ITER計(jì)劃已進(jìn)入從建造階段向裝配階段轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

ITER計(jì)劃一旦商業(yè)化成功，意味著受控?zé)岷司圩儗槿祟愄峁┝擞弥唤叩睦硐霛崈裟茉?，電費(fèi)近乎免費(fèi)，迅速形成以熱核能為支柱，可再生能源為補(bǔ)充，以氫為介質(zhì)的能源結(jié)構(gòu)，人類將徹底擺脫化石能源的束縛。

與此同時(shí)，核能提供的無限能源供應(yīng)將使農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)徹底的改造，有效改變當(dāng)前全球氣候變暖和自然環(huán)境惡化困局，人類發(fā)展格局將從此發(fā)生巨大改變。