作者:王丹红 来源:科学时报 发布时间:2009-7-6 0:32:20
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国际热核聚变实验堆计划实施第一阶段建设任务
 

在法国南部城市卡达拉舍,ITER的建设用地已经准备妥当,ITER的建设将于今年开工。(图片提供:《科学》)
 
在地球上,用科学手段人为实现太阳中心发生的核聚变,以生产清洁的理想能源是人类的梦想,也是人类面临的最大的科学和技术挑战之一。因此,耗资巨大的国际合作项目——国际热核聚变实验堆(ITER)计划(也被称为“人造太阳”计划)仅仅从提出到启动,就花费了整整15年的时间。
 
据最新出版的《科学》杂志报道,今年6月底,ITER合作伙伴在日本御津市召开了ITER半年度会议,包括中国政府在内的七方政府达成协议,同意关于ITER建设的修改方案,正式实施该项目第一阶段的建设,让工程技术人员能尽早检查出技术上的错误。首先,一个精简、朴素的反应堆将于2018年前生产出超热氢等离子体;然后,逐渐加入其他组分,在2026年底制造出能量生产源——氘和氚离子束,这比预先的计划推迟了18个月到2年的时间。在计划于今年11月召开的另一个会议上,成员国还将对项目的设计方案、成本和日程安排进行最终审核和批准。
 
ITER聚变科学和技术部门的执行主任大卫·坎贝尔说:“我们在前进中学习,时间安排是有些推迟,但这是我们第一次做这样的事。”
 
人类能否模仿太阳和其他恒星产生能量的过程,研制可受控的核聚变反应装置,为世界提供资源消耗少、环境污染小的新能量?国际热核聚变实验堆ITER计划是一次尝试和努力,它的目的就是研制一个可以自持燃烧的托卡马克可控核聚变实验装置,验证热核聚变反应技术的科学性、工程可靠性、运行可靠性和商业开发的可行性。
 
聚变能:人类理想能源的新希望
 
资料显示,世界能源的来源有三大种类:自然能源,包括水能、风能和太阳能等,这些能源的供应受自然条件和时空的限制;化石能源,如煤、石油、天然气等,这些能源的供应在消耗大量自然资源的同时还会造成环境污染,形成温室气体;核能,包括裂变能和聚变能。从资源、安全性和处理高放射性核废料三方面综合考虑,裂变堆会产生高放射性核废料,因此,裂变能被确定为“补充能源”。“氘—氚核聚变反应”也可产生核能,在地球上,这种反应所需要的资源几乎无穷无尽,而且这种聚变反应堆不会爆炸、不产生高放射性核废料、不会产生大量的环境浸染物和温室气体,因此,受控热核聚变能成为人类理想的能量来源的新希望。
 
然而,受控热核聚变能的获取也是人类面临的最困难的科学和技术难题之一。因为这种反应要求燃料气体(氘氚混合气体)达到上亿度的高温,以得到高温等离子体。
 
第二次世界大战结束后不久,美国和苏联开始组织研究受控热核聚变能,并列为绝密研究。1958年,苏联首先公布了研究状况,美国也随之解密其研究工作;20世纪60年代,英国、法国、德国、日本和中国也相继开展研究,受控热核聚变能研究成为冷战期间及之后国际科技合作的重要内容之一。
 
20世纪90年代,托卡马克研究取得重大进展,表明托卡马克产生聚变能的科学可行性被基本证实,为ITER计划奠定了科学和技术基础。在1985年于日内瓦召开的峰会上,苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根联合倡议ITER计划,并由苏联、美国、日本和欧盟共同启动。然而,由于种种原因,这一计划曾被搁浅,美国也一度退出。
 
近年来,随着能源危机加重、环境污染恶化和温室气体堆积,该计划再次受到重视,中国于2003年初开始加入,美国也于同年晚些时候回归,韩国和印度分别于2005年和2006年加入,这一计划的参与方达到了7个,参与国则达到了33个。
 
ITER之路艰辛漫长
 
2001年,欧、日、俄联合工作组完成ITER装置的工程设计,预计建造费约为50亿欧元,建造时间8至10年,运行时间20年。2006年5月,ITER七方成员签署了一系列合作协议,一致同意将ITER建在法国南部的核技术中心城市卡达拉舍;同年11月签署了建设ITER的国际条约,2007年11月,该条约正式生效,ITER计划进入实施阶段。
 
ITER计划分三个阶段进行:第一阶段为实验堆建设阶段,从2007年到2016年;第二阶段持续20年,为热核聚变操作实验阶段,其间将验证核聚变燃料的性能、实验堆所使用材料的可靠性、核聚变堆的可开发性等,为大规模商业开发聚变能进行科学和技术认证;第三阶段历时5年,为实验堆拆卸阶段。实验阶段结束后,各参与方还将同时进行示范堆建设,为最终实现商业堆开发作准备。
 
ITER在拉丁语中有“道路”的意思,人类的ITER之路确实艰辛又漫长。研究人员用了15年的时间提出ITER的设计方案,今年,卡达拉舍也为ITER的建造作好了准备。然而,物理学家们热切而宏大的期望不断提高了项目建设的费用。早期的成本估计已经让七方参与政府始终处于警觉状态,内部人员说,现在的建设费用可能是最初提出的50亿欧元的两倍。“毫无疑问,成本会上升。”英国聚变研究实验室、卡拉姆科学中心主任史蒂文·考利说,“但我也相当乐观,因为我们正看见一系列消减成本的措施”。
 
坎贝尔认为,ITER管理者新提出的第一阶段建设方案旨在减少技术风险。他说:“我们能够搭建核心系统,展示第一束离子束,然后再并入其他系统……如果现在出现了问题,那么我们也能比较容易地解决。”早期的托卡马克系统也采取了类似的策略,而在卡拉姆科学中心建造的托卡马克则是目前世界上最大的系统。
 
对ITER成本的估计依然是一个相当棘手的问题,参与项目的科学家认为,实际上很难提出精确的预算。2001年,研究人员曾对ITER的各个部件进行估算,以便能够让各参与方根据所在的市场和价格,公平地承担费用。如今,ITER在卡达拉舍的组织承担了10%的开销,坎贝尔说:“我们正努力作所能承担的最好成本估计。”
 
作为这种努力的一部分,组委会于2008年在ITER委员会会议上首次展示重新设计方案后,聘请托卡马克的前运行负责人布兰特·布里斯科对ITER成本进行独立的审核。在6月底举行的会议上,成本评审工作还在进行,委员会要求在11月召开的会议上报告评审结果。
 
考利认为,委员会不会通过缩小反应堆的规模来降低成本,“如果再减少一些东西,那么就得不到聚变能了,目前的ITER已经是最小规模了”。他相信,委员会可能更多地考虑如何让每年的支出保持平衡,而不是在总体上降低成本。
 
《科学时报》 (2009-7-6 A3 国际)
 
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