International Thermonuclear Experimental Reactor | |
標語 | 新能源之路(The way to new energy) |
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成立時間 | 2007年10月24日 |
總部 | 法國普羅旺斯-阿爾卑斯-藍色海岸大區卡達拉舍 |
總幹事 | Bernard Bigot |
網站 | www |
類型 | 托卡馬克 |
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大半徑 | 6.2 m |
電漿容量 | 840 m3 |
磁場 | 11.8 T (toroidal) 6 T (poloidal) |
加熱 | 50 MW |
位置 | 43°42′27.69″N 05°46′35.52″E / 43.7076917°N 5.7765333°E |
國際熱核融合實驗反應爐(英語:International Thermonuclear Experimental Reactor,縮寫:ITER)是國際核融合研究和巨型工程,將成為世界上最大的磁約束電漿物理學實驗,這是目前正在建設世界上最大的實驗性托克馬克核融合反應爐,鄰近於法國南部的卡達拉舍設施[1]。ITER工程的目標是從電漿物理實驗研究,到大規模電力生產的核融合發電廠的期待已久的轉變。「ITER」在拉丁文意為「道路」,因此這個實驗的縮寫「ITER」也意味著和平利用核融合能源之路。
它建立在由TFTR、歐洲聯合環狀反應爐(JET)、JT-60、T-15、EAST和KSTAR等裝置所引導的研究之上,並將顯著的超越所有前者。此項目預期將持續30年:10年用於建設,20年用於運行,總花費大約100億歐元。
該項目是由七個成員實體資助和運行,歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國。歐盟作為ITER設施的主辦方,貢獻的費用有45%左右,其他六方各貢獻約9%[2][3][4]。2016年,ITER組織與澳洲國家核融合機構簽署了技術合作協議,使該國可獲得ITER的研究成果,以換取ITER機器選定部分的建設[5]。
ITER托克馬克綜合設施的建設始於2013年[6],截至2015年6月,建築成本現在已超過140億美元[7]。預計該設施將於2021年完成建設階段,並將於同年開始啟動反應爐,並於2025年開始電漿實驗,2035年開始進行全氘 - 氚聚變實驗[8]。
背景
核融合發電有可能提供足夠的能量,以滿足不斷增長的需求,和以可持續的方式做到這一點,並且對環境相對較小的影響。
核融合有許多潛在的吸引力。首先,它的燃料氫的同位素是相對豐富的,必要的同位素燃料之一——氘,可從海水中提取,而另一種同位素燃料——氚,也可能會被使用在核融合反應本身產生的中子來生成。此外,相對於傳統的核反應爐所產生的污染物,它的其他放射性廢料產物的壽命很短。
在2006年11月21日,七個成員正式同意資助創造核融合反應爐[9]。該計劃預計將持續30年 —— 10年建造,和20年運行。ITER最初預計將耗資約50億歐元,但是,原材料價格的上漲和所看到的最初設計的變化,這一數額已經超過三倍而達到了160億歐元[10]。反應爐預計需花費10年時間建造並計劃在2019年完成。地點在法國的卡達拉舍,並已經開始採購大型部件[11]。
核融合世界記錄是被保持在1997年的歐洲聯合環形加速器(Joint European Torus,縮寫JET),輸出是16MW,總輸入24MW(聚變能量增益因子Q值=0.67),持續不到一秒鐘。國際熱核實驗堆的設計,是生產10倍的回報(Q值=10),從50MW的輸入功率上生產出約500MW的聚變功率,長脈衝持續時間為400~600秒[12],通過在其約840立方米的反應室聚變約0.5g氘/氚混合物。雖然ITER計劃預計將產生(在熱的形式)的能量比消耗的來加熱電漿到聚變溫度的能量高出10倍以上,它所產生的熱量將不被用於產生任何電力[13]。但是作為在歷史上所有的聚變實驗中的第一個產生淨能源的,這將為可以這樣的機器做準備之路。
歷史
國際熱核融合實驗反應爐開始於1985年,里根-戈巴契夫[14][15]倡議[15][16]的蘇聯,歐盟(通過歐洲原子能共同體),美國和日本平等的參與在1988年-1998年的初步設計階段。 這個項目下一階段的合作包括建設一個磁核融合研究的示範反應爐。當時,蘇聯、歐盟、美國、和日本都在持續進行磁核融合研究。進行下一步的核融合研究將超出了任何主要國家的預算,並且國際合作是很有益的。
經過早期的概念和工程上的設計階段,2001年在國際原子能機構(IAEA)的主持下產生了一個可被接受的詳細設計,ITER成員投入了6.5億美元研發資金用來進行實用性的研究。後來俄羅斯取代了前蘇聯的位置,美國曾於1999年到2003年之間退出,加拿大於2003年退出,而中國和韓國則加入參與開發研究,印度在2005年12月也加入了該計劃。
2006年5月24日[17],參加這一項目的歐盟、美國、中國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方代表草簽了一系列相關合作協議,標誌著這項計劃開始啟動。歐盟承擔50%的費用,其餘6方分別承擔10%,超出的10%用於支付建設過程中由於物價等因素造成的超支。11月21日[18],參加國際熱核融合實驗反應爐計劃的7方代表在法國總統府正式簽署了聯合實驗協定及相關文件。
2007年9月24日,中國作為第七個參與國批准了該協定,這意味著三十天後即2007年10月24日開始,國際熱核融合實驗反應爐合作協定正式開始實施,國際熱核實驗反應爐組織也於當天正式成立。
2020年7月28日,ITER 反應爐正式進入最後五年組裝階段,法國總統馬克宏(Emmanuel Macron)表示,世界上最偉大的進步,往往源自於大膽的賭注與坎坷之路[19]。
目標
國際核融合實驗堆的使命是展示核融合發電的可行性,並證明它可以不造成負面影響。具體而言,該項目的目標是:
- 由核融合加熱而即時產生多於所提供的輔助加熱十倍的熱能(聚變能量增益因子為10)。
- 產生一個聚變能量增益因子Q值超過5的穩定狀態的電漿體。
- 維持480秒的核融合脈衝。
- 可能點燃「燃燒的」(自我維持的)電漿體。
- 開發核融合發電廠所需的技術和程式:包含超導磁體(以俄國T-15為領先),及遙控技術(由機器人實現)。
- 為了驗證氚增殖(Tritium breeding)概念。
- 完善中子遮擋/熱轉換技術(大部分在D+ T核融合反應的能量被以快中子的形式釋放)。
反應爐的規格
計劃中的電漿的參數[20]:
- 電漿大半徑:6.2m
- 電漿小半徑:2.0m
- 電漿容量:840m3
- 電漿電流:15.0MA
- 軸向環形磁場強度:5.3T(特斯拉)
- 聚變功率:500MW
- 電漿維持時間:>400秒
- 能量倍增因數(Q值):>10
(來源:www.iter.org)
時間軸和現狀
1978年,歐共體,日本,美國和蘇聯加入了由國際原子能機構(IAEA)主持的國際托克馬克反應爐(INTOR)研討會,以評估磁聚變的準備進展到實驗電力反應爐(experimental power reactor,縮寫:EPR)階段,以確定必須進行的進一步的研發,並通過概念設計來確定這種EPR的特性。 每個參與國的數百名聚變科學家和工程師參加了關於EPR要求的托克馬克約束概念的當前狀況的詳細評估,並在1980年初確定了所需的研發,並在1981年的年中制定了概念設計。
時間軸:
- 1988年概念設計活動執行從1988年[22]至1990年。
- 1992年工程設計活動正式開始[23]。
- 1998年。在6月,工程設計活動「最終設計」獲得批准[24]。
- 2001年。在6月, 「成本削減」「ITER-FEAT」設計得到了同意[25]。
- 2006年。 ITER項目被正式同意並被資助,預計2008年將開始建設,預計成本為100億歐元(128億美元),並在十年後完成。[9]
- 然而,在2013年,該項目的運行已有許多拖延和預算超支。這一設施現在仍預計沒有開始運營直到2027年 - 在最初預期的11年後。[26]
- 2013年5月,ITER反應爐土木工程合約由法國萬喜公司投得,隨即動工。
- 在2014年2月,《紐約人》雜誌公布了ITER管理評估報告,列出11必需的建議,例如:「創建項目文化」,「灌輸核安全文化」,「發展一個現實的ITER項目計劃」和「簡化並減少官僚作風」。[27]美國考慮退出,但2015年仍然資助ITER。[28]
- 2015年11月,項目審查得出結論,時間表可能需要延長至少6年;(例如,2026年的第一個電漿)[29]。
- 2016年伊朗原子能組織完成了伊朗參加ITER的初步工作[30]。
- 2017年7月完成了低溫恆溫器底座和底部柱體的安裝,為托克馬克的安裝鋪平了道路。低溫恆溫器由印度製造,體積高達1.6萬立方米,直徑和高度都接近30米,重達3850噸。由於體積過大,低溫恆溫器分成了四部分:底座、底部柱體、上部柱體和頂蓋。至此,ITER已經完成了 65% 的工作。[31]
- 2020年7月28日,國際熱核融合實驗堆托克馬克裝置安裝工程啟動[32]。
日期 | 事件 |
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2006-11-21 | 7個成員正式同意資助建造一個核融合反應爐。[9] |
2008 | 場地整理開始, ITER日程的開始。[33] |
2009 | 場地整理完成。[33] |
2010 | 托克馬克建築的挖掘開始。[21] |
2013 | 托克馬克建築的施工開始。[33] |
2015 | 托克馬克組裝開始[34][35],但時間表至少要延長六年。 |
2017 | 組裝大廳準備好 |
2018-2025 | 組裝與集成:[36] |
2025 | |
2035 |
成員
當前成員
地點
2005年6月28日,參與實驗項目的中國、俄羅斯、歐盟、韓國、美國、日本在俄羅斯莫斯科最終簽訂協議,決定在法國南部普羅旺斯-阿爾卑斯-藍色海岸大區(Provence-Alpes-Côte-d'Azur)的卡達拉舍(Cadarache,位於馬賽附近)建造實驗反應爐。國際熱核融合實驗反應爐設施的建設開始於2007年,而托克馬克裝置本身的組裝被規劃開始於2015年[11]。
聚變能源(Fusion for Energy)是負責該項目的歐洲貢獻的歐洲聯盟機構,位於西班牙巴塞隆納。
聚變功率
ITER將使用環形加速器產生溫度超過10億攝氏度的氫電漿體,它將產生大約5億瓦特(500 MW)的核融合能量,維持大約500秒。相比較而言歐洲聯合環形加速器(Joint European Torus,縮寫:JET)的最高紀錄不過是 16 MW 維持了不到1秒。ITER將不會(直接)產生電力。
遠景
ITER是介於當前的電漿物理研究,和未來的核融合發電站之間的試驗性步驟,將為在2015年建設第一座可商業運行的電漿發電設備做好技術準備。
這個計劃在其30年的運轉週期,預料會耗費大約100億歐元,因此該項目成為人類有史以來繼國際太空站之後第二昂貴的國際科學合作項目。
與ITER同時運行的項目是國際聚變材料放射測試設施項目(International Fusion Materials Irradiation Facility,縮寫:IFMIF)。IFMIF用來測試未來開發核融合電站所要用的一些材料,這些材料適合於在極端狀況下工作。ITER還計劃建成一座能夠發電的示範性發電站:示範發電站項目(Demonstration Power Station,縮寫:DEMO, 在英語中有「演示」的意思)。此後,一座原型電站將首次進行商用發電。
設計圖
類似的項目
ITER的前身是歐洲聯合環形加速器(JET)[44]和Tore Supra[45]。
其他規劃的及建議的融合反應堆包括:
- 示範發電站(DEMO)項目[46],
- PROTO(融合反應堆)
- 文德爾施泰恩7-X(Wendelstein 7-X),[47]
- 國家點火設施(NIF),[48]
- Laser Mégajoule (LMJ).[49]
- HiPER,[50]
- MAST,[51]
- CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor), 一個 200 MW 托克馬克裝置[52][53][54][55]。
參見
參考文獻
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