歷經十四年籌備，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）在法國南部正式開始組裝工作，意味著人類距離實現可控核聚變又近了一步。該項目由 35 個國家合作完成，中國提供了磁體饋線、極向場線圈等重要部件。

可控核聚變被稱為“人造太陽”，能用極少量的清潔燃料產生大量能量，被視為解決能源和氣候問題的理想方案。接下來，ITER 計劃用 4.5 年完成安裝，到 2025 年進行第一次等離子體放電，最終驗證核聚變商業化應用的可行性。

圖片來源：ITER

當地時間 7 月 28 日，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實驗反應堆（ITER），在法國南部正式開始組裝，這也標志著新能源時代的開始。35 個合作國家的領導人通過視頻遠程參加了慶典。

近幾個月，來自世界各地的組件陸續抵達法國，使得 ITER 的組裝啟動成為可能。這表明共同參與 ITER 國際研究項目的 35 個國家愿意以這種方式來共同應對氣候變化。

太陽通過核聚變產生能量，向地球傳遞光和熱，使地球上的生命得以延續。ITER 就是通過模仿太陽的核聚變過程，以達到產生能量的目的。核聚變能夠提供清潔、可靠的能源，并且不產生碳排放。核聚變也是安全的，因為它只需要少量的燃料，并且物理上不存在因熔毀而發生泄漏事故的可能。

核聚變的燃料存在于海水和金屬鋰中，可以持續供應幾百萬年。一個菠蘿大小的核燃料所釋放的能量就相當于 1 萬噸煤燃燒釋放的能量。

建造和運營一座核聚變反應堆的成本與核裂變反應堆的成本相近，但它產生的廢棄物不需要花費高昂的成本和漫長的時間進行處理。

一旦 ITER 項目完成，它將證明核聚變可以實現規模化商業運作，持續產生能量。

前所未有的國際合作

上世紀 50 年代，蘇聯科學家首次提出了托卡馬克的概念——磁約束聚變，此后核聚變能量研究一直是國際上廣泛合作的領域。ITER 項目于 2006 年誕生，35 個合作國家包括歐盟成員國（加上英國和瑞士）、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。

這些國家總計擁有世界 50% 以上的人口，全球 80% 以上的國內生產總值（GDP），匯集了大量的專業知識和資源，使建造世界上第一個具有工業規模的核聚變裝置成為可能。

法國是東道國。歐盟、英國和瑞士是東道主成員國，它們為 ITER 項目提供了 45% 的資金。其他成員國各出資 9%，即美國、中國、日本、俄羅斯、印度和韓國。

ITER 成員國的貢獻約 90% 以實物形式提供，增加了這個多重機器的國際復雜性。這個機器被稱為托卡馬克（Tokamak），它來自俄語，意為“磁環”。完成后的托卡馬克將由 100 多萬個部件組成。

托卡馬克裝置示意圖。圖片來源：ITER

為了準備機器組裝，近幾個月來，這些前所未有的巨型部件已經陸續運抵法國。大部分的部件都重達幾百噸，長度超過 15 米。這些零件是世界各地工廠、大學和國家實驗室 5 年多來的技術結晶。

托卡馬克組件必須滿足非常嚴格的規范。它們還必須遵循一個復雜的時間表，按時到達法國。ITER總干事Bernard Bigot博士說：“一部分一部分地組裝機器，就像在一個復雜的時間軸上組裝一個三維拼圖。”

他說：“項目管理、系統工程、風險管理和機器裝配物流的每一個方面都必須協同配合，像瑞士手表一樣精確。未來幾年，我們有一個復雜的流程需要遵循。”

組裝工作將于 2025 年 12 月結束。到那時，ITER 項目的科學家和工程師們將進行第一次等離子體放電。

托卡馬克將提供多少能量？

ITER 項目的核電站將產生大約 500 兆瓦的熱能。如果持續運行并接入電網，產生的能量將轉化為大約 200 兆瓦的電能，足夠 20 萬戶家庭使用。

商業核聚變電站可能采用稍大一點的等離子體室，一座電站可以提供的電力相當于 ITER 的 10 到 15 倍。一座 2000 兆瓦的核聚變電站可以為 200 萬戶家庭供電。

并且，核聚變發電廠運行過程中沒有碳排放，也就是說不會釋放二氧化碳。但是核聚變技術對解決氣候變化問題的貢獻取決于核聚變反應堆建造的速度。目前，超過 70%的碳排放來自于能源的使用，超過 80%的能源消耗又來自于化石燃料。

Bigot 博士預測說：“如果核聚變能夠投入廣泛使用，并成為可再生能源的補充，那么電力的使用量將大大提升，由交通、建筑和工業所帶來的溫室氣體排放將減少。實現僅使用清潔能源將是我們這個星球的一個奇跡。”

ITER 都有哪些部件？

ITER 組件建造分工，中國主要參與建造磁體饋線（feeder，左上角）和極向場線圈（PF coils，左下角）。圖片來源：ITER

｜低溫恒溫器

由印度制造的低溫恒溫器（Cyrostat）是托卡馬克真空容器和限制超熱等離子體的超導磁體周圍的“保溫瓶”。

它高 30 米，直徑 30 米，是有史以來最大的不銹鋼真空室。它包含四個主要部分：底座、下氣缸、上氣缸和上蓋。下筒體的尺寸與巨石陣相當。

低溫恒溫器的基座部分重 1250 噸，是 ITER 最重的部件。它是第一個被安裝到托卡馬克坑的主要部件，于 5 月完成安裝，以不到 3 毫米的精度固定到位。

低溫恒溫器的基座。圖片來源：ITER Organization/EJF Riche

｜ITER 磁體

ITER 使用三種緊密結合的磁體來容納、控制、塑造和脈沖出 1.5 億攝氏度的等離子體。為了實現超導，磁體內部用 -269 攝氏度的液氦進行冷卻，這相當于星際空間的溫度。

｜環向場線圈

該組件由日本和歐洲制造，其部件來自中國、韓國和俄羅斯。超過 40 家公司參與了這 18 個環向場（TF）線圈的制造。

TF 線圈的作用是限制電離等離子體粒子。每一塊磁鐵都有四層樓高，重 360 噸。首批兩個 TF 線圈已于 4 月份從日本和意大利運抵 ITER 現場。

｜極向場線圈

這些環形磁體由中國、歐洲和俄羅斯制造，將安裝于 TF 線圈系統之外。極向場（PF）線圈約束等離子體的形狀，并使其遠離壁面。

共有 6 個PF線圈，直徑從 10 米到 24 米不等，重量高達 400 噸。第一個 PF 線圈 5 月份從中國運抵 ITER。第二個由歐洲在裝配現場制造。

在 ITER China 網站上可以查看所有中國制造的部件。網址：http://www.iterchina.cn/index.html

｜中心螺管

中心螺管（Central Solenoid，CS）由美國制造，這是 ITER 磁體組件中最強大的一個。它有時被稱為 ITER 的“跳動的心臟”，因為它能夠在等離子體中以長脈沖的形式啟動一個強大的電流。

中心螺管由六個模塊組成，組裝后將達到 13 米或 18 米高，并附帶支撐結構，重量將達到一千噸。它的磁力將足以吸起一艘航空母艦。

CS 線圈組相互獨立運行，將產生巨大的電磁力，拉向不同的方向。支撐結構所要承受的力達到航天飛機升空時推力的兩倍。第一個 CS 模塊將于 2020 年秋季抵達 ITER 所在地。

｜真空容器

真空容器的部件來自韓國（4 個部件）和歐洲（5 個部件），突出的端口由俄羅斯提供。真空容器是一個密封的、甜甜圈形狀的不銹鋼腔體。在其內部，等離子體粒子可以不接觸腔壁，不斷地旋轉。

真空容器的 44 個端口連接遠程操作、診斷、加熱和真空系統。容器內表面的包層模塊將屏蔽核聚變反應產生的高能中子。

ITER 真空容器（體積 840 m3）中心容納的等離子體體積是其他托卡馬克裝置的 10 倍。第一個真空容器部件于 7 月 21 日抵達法國，機器開始組裝。

｜建筑和土木工程

整個 ITER 工地的建筑和土木工程由歐洲建造，大約完成了 75%。以下是三個示例。

托卡馬克廠房和裝配大廳已經完工，上方是一臺 170 米高的門式起重機，支撐著兩臺 750 噸重的起重機，用于運輸和定位部件。

世界上最大的集中式低溫設備，已經完成了 60%。它提供液氮制造超低溫，使超導磁體得以運作。這些設備來自中國、印度、瑞典、捷克共和國、芬蘭、意大利、日本和法國。超低溫管線（cryolines）主要來自印度。

磁體供能轉換廠房（Magnet Power Conversion buildings）將交流電轉換為直流電，為 ITER 的磁體供能，其電壓和電流保持在精確的數值，內部設備由中國、印度、韓國和俄羅斯專門設計。

磁體供能轉換廠房示意圖，中國提供了其中 14 個變流器。圖片來源：https://www.iter.org/newsline/-/2779

ITER 中心組織負責整合來自世界各地的組件來組裝 ITER，包括托卡馬克本身的組裝以及支持系統的并行安裝，支持系統包括射頻加熱、燃料循環、低溫、冷卻水、真空、控制和高壓電氣系統。

主要組裝活動將在托卡馬克大樓進行，ITER 設備將安裝在部分嵌入的混凝土生物防護罩中。在裝配階段，這座建筑將保持潔凈和恒溫，以避免最大型的部件出現哪怕最輕微的變形。組裝、支撐和定位托卡馬克組件將用到超過 150 個專用工具，其中一些重達 800 噸。

環形托卡馬克將分為 9 個子組件，在鄰近的裝配大廳內進行預裝配。每一個子組件的弧度為 40 度，其中包含一塊環形真空容器組件、一個保護性的鍍銀隔熱罩和兩個環形磁場線圈。

托卡馬克主要部件的尺寸、重量、微小的公差、制造商的多樣性以及緊湊的日程安排，使得 ITER 成為一個巨大的工程和物流挑戰。組裝 ITER 設備將花費 4.5 年的時間。

核聚變反應堆的工作過程

雖然數百個托卡馬克已經被建造，但ITER 項目中的托卡馬克將是第一個實現“燃燒”，或者說自加熱等離子體的裝置。在核聚變反應中，微小的質量可以轉化為巨大的能量，主要反應過程如下：

1. 幾克氘和氚氣體被注入一個巨大的、甜甜圈形狀的反應室，即托卡馬克；

2. 加熱氣體，直到它變成云狀的電離等離子體；

3. 總重量達一萬噸的超導磁體制造并控制電離等離子體；

4.當等離子體達到 1.5 億攝氏度，就會發生核聚變，這一溫度達到太陽核心溫度的 10倍；

5.核聚變產生的超高能中子逃逸出磁籠，以熱的形式傳遞能量；

6.在托卡馬克水冷壁內循環的水可以吸收逸出的熱量并產生蒸汽，在商業反應堆里，這一過程帶動蒸汽渦輪機發電。