在地球上“种太阳”：一文读懂核聚变和ITER的前世今生

最近有条新闻刷爆了朋友圈，“国际热核聚变实验堆（ITER）计划重大工程安装启动仪式7月28日在法国该组织总部举行。国家主席习近平致贺信。”那么，国际热核聚变实验堆（ITER）计划到底是何方神圣？与此同时，一系列的伴随性问题也冒出来了，比如：什么是核聚变，什么是热核聚变，什么是受控核聚变，什么是托卡马克装置？
在介绍ITER计划之前，大致了解核聚变研究和及其历程是有必要的。
一、核聚变简介
首先，按照定义：核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组、结构与变化规律的科学，而核聚变是发生在原子核层面上的，所以核聚变不属于化学变化。值得一提的是，在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。这一过程遵循爱因斯坦质能方程，正因为核聚变带来的巨大能量，核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。
那么核聚变是怎么发生的呢？简单来说，两个轻核在因都带正电荷而彼此排斥，然而当这两个轻核的能量足够高，且迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，从而能够克服库仑斥力而发生核聚变反应。图1 核聚变示意图
提一句，大家听得最多的核聚变通常是热核聚变，实际上与之对应的还有冷核聚变。
冷核聚变是指在接近常温常压和相对简单的设备条件下发生核聚变反应。冷核聚变虽然提出多年，但却一种备受质疑，篇幅所限，本文主要关注热核聚变。
前文提到，核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程，实际上热核聚变是宇宙中一种普遍的能量形式，比如，太阳就是一个巨大的热核聚变反应炉。这也正是为何我们的受控核聚变研究被通俗的称为“人造太阳”的缘故。
正如很多先进技术的发展，比如互联网一样，人工核聚变技术同样始于军事技术研发，它就是大名鼎鼎的氢弹。简单梳理一下热核聚变研究的时间轴：
1920年，亚瑟·爱丁顿提出氢氦聚变可能是恒星能量的主要来源。
1932年，在卢瑟福的核嬗变实验基础上，马克·奥利芬特完成了氢同位素的实验室聚变。
1930年代，汉斯·贝特提出了恒星核聚变主循环的理论。
1940年代初，作为曼哈顿计划的一部分，用于军事目的的核聚变开始被研究。1951年，在核试验中完成了核聚变。
1952年11月1日，在常春藤麦克氢弹试验中首次进行了大规模核聚变。
正如裂变技术从原子弹发展到民用裂变电站的历程一样，氢弹实验成功后，自1950年代起，人类开始研究用于民用目的的受控热核聚变。
二、热核聚变反应条件与研究路线
如前文提及，目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸；实际上，也可以触发可控核聚变，只是输入的能量大于输出、或发生时间极短。但是要想聚变能可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，并且实现持续、平稳的能量输出。
那么如何才能获取稳定持续可控的核聚变能量输出呢？“聚变三重积”概念有必要了解一下。
聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。
等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体，也被称之为“电浆”。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。因此，等离子体的温度、密度和约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到10的22次方时，聚变输出的功率等于为驱动反应而输入的功率，超过这一基本值反应才能自持进行。
按照三重积的量级，不难想象要达成热核聚变反应，需要特殊的反应容器以获取和维持足够的反应条件。从现阶段的研究来看，在地球上要创造聚变的条件，主要采用磁约束聚变和惯性约束聚变两种不同途径。
惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）是利用激光或激光产生的 X 射线作驱动源，均匀地加热装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体并向外喷射，产生反冲压力，快速地向内压缩靶丸未加热的部分，使DT主燃料层密度达到每立方厘米几百克质量，并在DT燃料芯部形成高温高密度热斑，点燃聚变反应。燃烧从中心向外迅速地在被压缩的主燃料层中传播，靶丸自身的惯性约束高温高密度燃烧需要足够长的时间，进行充分的燃烧后，放出大量聚变能，获得能量增益。
而磁约束核聚变（Magnetic confinement fusion, MCF）则是利用磁场与高热等离子体来引发核聚变反应的路线。
磁约束聚变的作法是，先加热燃料，使它成为等离子体形态，再利用磁场，拘束住高热等离子体中的带电粒子，使它进行螺线运动，进一步加热等离子体，直到产生核聚变反应。磁约束核聚变的发展程度比惯性约束聚变要好，并且通常被认为更有前途用于能源生产。但是随着尺寸增加，产生不稳定的状况也比较严重。目前国际上主流的方案是使用托卡马克（Tokamak）技术来达成磁约束核聚变。
三、托卡马克与ITER
托卡马克这个词是转写俄语单词токамак，是一个缩写： 它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）。指的是“带有电磁线圈的环形真空室”。
托卡马克最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的物理学家伊戈尔·塔姆，安德烈·萨哈罗夫，和列夫·阿齐莫维齐等人在1950年代发明的，如今已在世界范围内被采用，成为最有前景的磁约束核聚变装置。它的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，以达到受控核聚变的目的。图2 经演化后的托卡马克装置线圈基本构造图3 托卡马克装置真空室
托卡马克装置的环形设计是其主要结构特征，首先向环形真空室内充入一定气体，在微波等预电离手段的作用下，产生少量离子，然后通过感应或者微波、中性束注入等方式，激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个等离子体电流与外面的线圈电流一起，产生一定的螺旋型磁场，将其中的等离子体约束住，并使其与外界尽可能地绝热。这样，等离子体才能被感应、中性束、离子回旋共振、电子回旋共振、低杂波等方式加热到上亿度的高温，以达到核聚变的目的。
20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成了五个大型的托卡马克装置，分别是：
1982-1997年: 美国的TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor，已拆解）。
1980年: 通用原子能公司的DIII-D。
1985年: JT-60, 日本茨城县那珂市。
1983年: 欧洲联合环状反应堆（Joint European Torus）
1988-2005年：俄国莫斯科库尔恰托夫研究所T-15。
随着研究的深入，大家意识到需要建造新一代托卡马克装置来提升“三重积”，我国的先进实验超导托卡马克实验装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）正是在这个大背景下建造成功的。
EAST原名HT－7U，又被称为东方超环，是中国科学院等离子体物理研究所在安徽省合肥市建设的世界第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应试验性装置，属于中国国家“九五”重大科学工程。EAST融入了几十年来的聚变研究成果，比如DIII-D的D型截面展示的良好约束效果，T15所提出的超导线圈优势等等。自2006年建成第一次放电以来，EAST取得了一系列里程碑式的成果：
2006年9月28日，EAST首次成功放电，这是全球首个投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置；
2016年1月28日凌晨零点26分，EAST成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电，这是国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2016年11月2日消息，EAST获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电。EAST因此成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。
2017年7月3日夜晚，实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。这标志着EAST成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。
2018年11月12日，EAST首次实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度首次达到1亿度。
总的来说，EAST的一系列里程碑成果表明中国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，开始引领国际前沿，这对ITER的建设和运行具有重大的科学意义。
基于以上所有介绍后，再来谈ITER应该是不突兀了。
国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是国际核聚变研究的巨型工程，是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，位于法国南部的卡达拉舍。ITER始于1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议苏联，欧盟（通过欧洲原子能共同体），美国和日本平等的参与在1988年-1998年的初步设计。后来俄罗斯取代了前苏联的位置，美国曾于1999年到2003年之间退出，加拿大于2003年退出，而中国和韩国则加入参与开发研究，印度在2005年12月也加入了该计划。2006年5月24日，参加这一项目的欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。
ITER的使命是展示聚变发电的可行性，并证明它可以不造成负面影响。但是需要明确的是ITER不发电。
简单来说，其目标是：
1. 产生聚变增益因子Q为10的等离子体。
2. 产生Q值超过5的稳态等离子体。
3. 维持480秒的稳态聚变脉冲。
4. 聚变等离子体可自持。
5. 验证氚增殖(Tritium breeding)概念。
6. 完善中子屏蔽/热转换技术。
ITER的主要技术探索任务有：
1. 探索新的加热方式与能量损失机制；
2. 用环向超导磁体产生5.3特斯拉的强磁场，实现长脉冲的维持，改善等离子体的约束性能；
3. 研究等离子体边界行为及控制策略，防御大尺度等离子体破裂，探索等离子体密度极限；
4. 研制防高能中子辐照材料，研制在恶劣工况下长寿命的第一壁材料；
5. 解决反应室加料排废、主动冷却、连续供电功能，探索聚变堆的最佳化设计。图4 ITER设计结构示意图
ITER的工程建设时间轴和现状
1998年，ITER工程设计获批。
2006年， ITER项目被正式同意并被资助，预计2008年将开始建设，预计成本为100亿欧元（128亿美元），并在十年后完成。
2013年，ITER被核算已有许多拖延和预算超支。
2015年，ITER项目审查得出结论，时间轴需要往后延长至少6年。
2016年，伊朗原子能组织完成了伊朗参加ITER的初步工作。
2017年，完成了低温容器底座和底部柱体的安装，为托卡马克的安装铺平了道路。至此，ITER已经完成了 65% 的工作。
2020年7月28日，ITER托卡马克装置安装工程启动。图5 ITER托卡马克装置安装工程在法国启动
ITER计划的托卡马克装置将成为世界上最大的托卡马克装置，其体积是目前运行的最大托卡马克装置的两倍，其等离子体反应室容积也是其10倍。根据ITER计划此前发表的公报，通过对项目进展的评估，托卡马克装置有望在2025年首次开机产生第一炮等离子体，这也是ITER数十年运行计划的第一步。而氘氚聚变实验预计于2035年开始。
四、中国在ITER组织中所承担的任务和角色
说到这里，ITER在聚变能甚至是能源领域的重要性已经毋庸多言。我国作为2006年参与ITER计划的七方成员之一，承担了ITER装置近10%的采购包任务。而中科院等离子体物理研究所正是中方任务的主要承担单位，自2009年以来主持了超导导体、校正场线圈、磁体馈线系统等制造任务。更值得一提的是，目前大部分采购包部件已实现全国产化。
除了中科院等离子体所和核工业西南物理研究院这些研究单位之外，中国的企业也逐渐参与到ITER的工程建设中来。比如，2019年9月，中核集团牵头的中法联合体团队正式与ITER组织签订托卡马克主机TAC-1安装标段工程合同。作为该标段的第一个重要工程节点，ITER的杜瓦底座（托卡马克装置压力容器的底座）吊装工作于今年5月28日完成。
在国际核聚变研究中，很长一段时间，美国、日本和欧盟等保持着明显的优势，因此一起被纳入国际核聚变的第一阵营。而中国在过去二十年的发展中，则被视为第二阵营中崛起最快的国家，不讳言，已经跻身第一阵营。
实际上，中国加入ITER本身的目的就是要通过参加ITER装置的建造和运行，全面掌握磁约束核聚变研究和技术成果，锻炼、培养一支高水平聚变科研和工程技术人才队伍；带动国内其他相关领域的技术发展，推进我国核聚变能源的研究发展。随着我国对核聚变研究的持续支持，下一个十年，或更长时间，中国核聚变工程实验堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）的设计甚至是建设工作将会给聚变能行业带来更强的中国声音。
（作者系国内核聚变领域研究人员）