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国际热核聚变实验堆

王朝百科·作者佚名  2010-10-02
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项目原理ITER看上去像一个巨大的环状物,氢气在环绕表层周围的巨型线圈中流通,

ITER模型

线圈被冷却,直到它们成为超导体为止,随后巨量的电能被泵入其中,制造出磁场,困住环状物中的等离子体。当环状物中有电流注入,气体就被加热到极端高温。

项目分摊ITER计划谈判结束后,各方就ITER计划各阶段成本估算和分摊比例达成一致意见:

建造阶段:东道方欧盟承担总费用的45.46%,其他六方各承担9.09%;

ITER项目现金分摊比例

其他三个阶段:东道方承担34%,日本和美国各承担13%,其他各方各承担10%。

在建造阶段,中国承担了ITER装置9%的采购包制造任务,界定为实物贡献,同时参与ITER国际组织的管理工作和总体协调执行工作,由ITER国际组织牵头开展,中方还需提供现金贡献,推荐并派遣人员赴组织总部工作。实物贡献约占中方经费支出80%,现金贡献约占20%。

现金贡献是ITER计划各参与方根据《组织协定》的有关规定,每年提交给ITER组织的运行和装置建设运行费用。根据《ITER计划各阶段成本分摊共识》,在ITER组织理事会批准使用储备金时,各国应当按照比例提交相应份额。

项目建设越来越严重的能源危机已经让世界各国意识到了未来可能面临的灾难,而末日说的泛滥使得人类不得不重新审视自己的所作所为。据英国媒体报道,作为继国际空间站之后的全人类共同期盼的国际热核计划,终于在争吵声中继续进行,世界主要大国同意继续资助这一项目。ITER计划主要是为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性,其原理类似于太阳发光发热,即在上亿摄氏度的高温条件下利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。通过查阅资料发现,与目前的核电站不同,聚变反应堆从本质上讲不会发生泄漏,所以国际热核实验反应堆和下一代核聚变反应堆不会发生重大事故。另外,它也不对环境和周围居民构成威胁。

ITER计划也被称为“人造太阳”计划,一旦实验成功,那么将会使人类彻底摆脱目前的能源危机,进行一个崭新的清洁能源的新时期。有人也将这项计划比作《2012》中的诺亚方舟,认为是拯救人类的最先进武器。

虽然计划和愿望是美好的,但是自1985年美、苏和欧洲开始筹划设计以来,经历了35年的时间,在此期间经历了太多的磨难,这项预期耗资100亿的项目,所需要的开支越来越庞大,使得世界各国有些不堪重负。目前总共有7方参与这个计划,包括欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度等33个国家,此前加拿大曾参与其中,但随后退出,其退出的原因也是因为它的耗资太过巨大,超出了加拿大的承受能力。

与此同时的是,在实验过程中,这项计划也遭遇到了非常严重的困难,很多技术上的难题难以解决。一位热核科学家表示,在2020年之前这项实验可能无法启动,如果要想发电至少要等到2040年。这样的时间表,使得参与该计划的各国产生了犹豫。

法国南部城市卡达拉舍的ITER项目建设基地

绿色和平组织的首席英国科学家道格拉斯说道:“我们对这项计划能否继续实施真的非常怀疑,但这项计划绝非是用金钱所能衡量的,我们要想摆脱能源危机,摆脱对碳的需求,就必须将这项计划进行下去。”

国际热核计划的技术部副部长大卫-坎贝尔说道:“这的确是一个巨大的挑战,我们都希望有支付终结的那一天,但目前来看,它的继续进行的确需要更多的支持,而在未来,对我们的利好消息就是它将接管发电。”

在7月28日,参与该项计划的7方进行了会谈,他们再度达成协议支持这项计划。对此,大卫-坎贝尔兴奋的表示:“到了秋天,一些关键性的建设工作将会启动,这真的令人非常期待。”

ITER项目建设在法国南部城市卡达拉舍(Cadarache),反应堆高一百八七英尺,而重量是2.3万吨,是埃菲尔铁塔的3倍。

项目进展国际热核聚变实验堆(ITER)组织理事会正式通过了《基准文件》,ITER组织理事会主席叶夫根尼·威利科夫表示,这标志着ITER计划进入决定性阶段。

2010年7月28日,ITER组织发布公报称,来自欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度七方的理事以及一名国际原子能机构的观察员参加了27日至28日在该组织所在地、法国南部的卡达拉舍举行的特别会议,最终通过了《基准文件》,该文件包括两项重要内容,一是项目预算,二是项目时间表。

ITER是为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的,其原理类似太阳发光发热,即在上亿摄氏度的高温条件下,利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出巨大能量,从而为人类提供可持续发展的洁净能源。ITER实验堆高度为24米,直径30米,计划产生等离子体的体积为840立方米,维持时间为400秒,聚变能500兆瓦。输出与输入能量比最低为10∶1,最高可达到30∶1。

在时间表方面,ITER组织决定放弃其原定于2018年获得第一个等离子体的目标,将时间推迟为2019年11月。预计2026年之后才会开始关键的氘、氚核反应。在预算方面,欧盟将为该项目追加最多不超过85亿美元的额外资助,该项目的总预算将达190亿美元。

该会议也提名日本物理学家本岛修为ITER组织新的总干事,以接替从2005年11月起担任ITER组织总干事的池田要。

此外,ITER也将测试很多与聚变有关的关键技术,包括加热、控制和远程管理,这些都是全尺寸核反应需要的技术。如果ITER获得成功,下一步将建立商用的反应堆,可能又再需要花费10年多的时间。

2006年5月24日,参与ITER计划的七方草签了与该计划有关的一系列合作协议,同年11月签署了ITER条约。2007年10月24日,该条约正式生效,标志着ITER组织正式成立,ITER计划进入正式实施阶段。

项目评价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。

延伸阅读中国参加ITER计划历程如下: 2003年2月,中国正式加入ITER计划谈判。

2003年11月,中国国家中长期科技发展规划ITER专项论证专家组进行论证。

中国深度参与ITER计划

2006年11月,中国和参加ITER计划谈判的各方代表,共同签署《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》(简称《组织协定》)、《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》(简称《特豁协定》)及其它相关文件。

2007年2月,中国国务院批准设立“ITER计划专项”。

2007年8月,中国全国人大常委会审议通过《组织协定》和《特豁协定》。

2007年9月,中国政府向ITER组织正式提交由国家主席签署的《组织协定》和《特豁协定》这两个协定批准书。

2008年10月,中国国内机构——中国国际核聚变能源计划执行中心成立,ITER中国工作全面展开。

截至2010年5月,中国已与ITER组织签订5个采购包安排协议,涉及环向场线圈导体、极向场线圈导体、校正场线圈、磁体支撑以及磁体馈线和校正场线圈导体等采购包,并与中国国内相关科研机构和企业签订了环向场认证导体、导体集成和超导股线等采购包制造任务采购制造合同。

ITER计划也是目前中国以全权、平等伙伴身份参加的规模最大的国际科技合作计划,在ITER计划七方中,中国承担实物与现金贡献的比例约10%。

 
 
 
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