熱核聚變實驗堆開啟“無限能源”時代

對世界各國來說，ITER計劃是實現(xiàn)核聚變能源的渠道，促進全球核能研究快速發(fā)展。

1985年，在美蘇首腦的共同倡議下，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃得以確立。目前，該計劃由歐盟、俄羅斯、日本、美國、中國、韓國和印度— —總人口占世界一半以上的七方共同實施。

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

1988年，ITER開 始 設 計，并 于2001年完成ITER《工程設計最終報告》。該計劃集成當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果，首次建造可實現(xiàn)大規(guī)模聚變反應的實驗堆。

憑借這個功率為50萬千瓦的核聚變超導托卡馬克實驗反應堆（真空室高度約三層樓高（11.3米），重達8000噸，比埃菲爾鐵塔還重；另一個360噸的TF線圈與一架波音747重量相當），ITER將研究解決大量工程技術難題，是人類實現(xiàn)受控核聚變能源研發(fā)走向實用的關鍵一步，標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計劃經歷了一個相當曲折的過程。

20世紀90年代，我國曾先后兩次申請加入，但都因為美國的反對未能如愿，直到2003年前夕，在美國暫時退出計劃后，我國分別與當時的ITER“四方”歐盟、日本、俄羅斯和加拿大會談后，得到支持；隨后美國也重返了ITER計劃。

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計劃《聯(lián)合實施協(xié)定》（簡稱《ITER協(xié)定》），法國總統(tǒng)希拉克和歐盟委員會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，受特別邀請作為在儀式上第二個發(fā)言的國家。

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

當前，該計劃主要是完成國際熱核聚變實驗堆（ITER）裝置的建設、安裝、調試，預計2025年底實現(xiàn)第一等離子體放電；再經過10年的后續(xù)實驗和測試，2035年ITER裝置進入氘氚運行實驗階段，這將是這項工程的重要節(jié)點；2040年，ITER裝置完成實驗，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和運行，開始商業(yè)化應用。

從技術上看，ITER計劃主要有三個難點需要突破。首先等離子體穩(wěn)態(tài)燃燒；其次是氚的自持（即通過聚變裝置產生維持聚變反應所需的氚，不需要外部輸入），因為氚在自然界中幾乎沒有，衰變很快，需要通過鋰轉化而來，成本很高，所以要做到氚的自持；再次是托卡馬克裝置內部達到1億度，壁的材料必須是高抗輻射材料。

據測算，1千克核聚變燃料所產生的電能大約等同于1.1萬噸標煤燃燒；1升海水中所含的氫的同位素，經核聚變反應可提供相當于300升汽油燃燒后釋放的能量。未來的核聚變電站不僅能產生電力，而且多余的能源可用于制氫，把氫作為儲能中介。目前，核聚變反應實驗堆還不具有商業(yè)發(fā)電的能力。只有核聚變所反應產生的能量遠高于輸入能量后，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60年代，一直以實現(xiàn)受控磁約束核聚變?yōu)橹饕繕恕?/p>

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

正式加入ITER計劃后，作為平等成員方，我國承擔了ITER建設階段9.09%和運行、退役階段10%的經費，享有ITER 100%的技術成果使用權。截至2017年，我國已有超過30個科研機構、35家企業(yè)、超過3400名科學家和2700名研究生參與該計劃。

與此同時，我國與ITER組織陸續(xù)簽署18個采購安排協(xié)議，在采購包質量和進度方面長期處于7個成員方的領先地位，連續(xù)被三任總干事評價為最有價值的成員國之一。目前，我國在核聚變堆設計、關鍵部件的研發(fā)和制造（如超導磁體、超熱負荷第一壁部件）等方面已進入世界先進行列。我國研發(fā)的ITER部件已實現(xiàn)100%的產業(yè)化。通過全面參加ITER計劃，我國不但掌握了眾多科學技術，同時也深度學習了國際大科學工程計劃的管理。

當前，我國聚變界制定了發(fā)展路線圖，已著手建設中國聚變工程實驗堆（CFETR），這是我國消化、吸收ITER計劃產生的100%知識產權，自主設計和研制并通過國際合作開展的重大科學工程。

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》，支持中國建設聚變工程實驗堆CFETR。CFETR計劃分三步走，第一階段到2021年，完成工程設計，啟動立項建設；第二階段計劃到2035年建成聚變工程實驗堆，開始大規(guī)?？茖W實驗；第三階段計劃到2050年，在實驗堆成功基礎上，建成聚變商業(yè)示范堆。

2020年7月28日，習近平總書記在給ITER計劃重大工程安裝啟動儀式的賀信中說到，ITER計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)同各方加強科研交流合作，合力突破重大關鍵科學和技術，推進全球科技創(chuàng)新，為增進各國人民福祉、實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展不斷作出新貢獻。該儀式也預示著ITER計劃已進入從建造階段向裝配階段轉變的關鍵節(jié)點。

ITER計劃一旦商業(yè)化成功，意味著受控熱核聚變將為人類提供了用之不竭的理想潔凈能源，電費近乎免費，迅速形成以熱核能為支柱，可再生能源為補充，以氫為介質的能源結構，人類將徹底擺脫化石能源的束縛。

與此同時，核能提供的無限能源供應將使農業(yè)、工業(yè)、商業(yè)徹底的改造，有效改變當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。