全球最大：国际热核聚变实验堆 ITER 磁体系统完工

IT之家 7 月 3 日消息，在寻找无碳清洁能源的道路上，核聚变可能是最可行的解决方案，因为它可以根据需求启动和停止反应。

目前，30 多个国家（包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等等）正在法国合作建造国际热核聚变实验反应堆（ITER）。“ITER”在拉丁文中意为“道路”，因此这个实验的缩写“ITER”也意味着和平利用核聚变能源之路。

▲ 图源；ITER

当地时间 7 月 1 日，随着 19 个巨大的环形场线圈运抵法国南部，ITER 宣布聚变能项目来自日本和欧洲的大型环形场线圈完工并交付。这标志着该反应堆设计过程的结束，距离投入使用仅一步之遥。

如图所示，D 型的环形磁场线圈将被放置在 ITER 的真空容器周围，这是一个类似于甜甜圈状的腔室，也就是“托卡马克”。在容器内部，轻原子核将聚变成较重的原子核，并释放出巨大的能量。

▲ 线圈及容器的安装示意图

简单来说，科研人员将“燃料”（氘和氚）以气体的形式注入托卡马克装置，然后将电流通过气体使其电离成等离子体，也就是物质的第四态（由原子核和电子组成的“云”）。

然后，等离子体将被加热到 1.5 亿摄氏度（相当于 10 倍太阳核心温度）。在这一温度下，轻原子核的速度将被加速到足够高，从而碰撞并“聚合”。为了塑造、限制和控制这种极其炽热的等离子体，ITER 就必须为其加载一个无形的磁场笼，使其精确贴合真空容器的形状，也就是这里用到的巨型线圈。

ITER 这里使用的是“铌锡”和“铌钛”作为其巨型线圈的材料，相信大家或多或少听说过。制造 19 个环形场线圈需要 8.7 万多公里的细线，这些线束主要是在中国、欧洲、日本、韩国、俄罗斯和美国生产。

通电后，这一线圈就会变成电磁体。然后，科研人员就会用液氦将其冷却到 -269℃ (4 开尔文) 时，它们此时就会变成超导体。

为了能够精确获得所需磁场，ITER 采用了三种不同的磁体组。18 个 D 形环形磁场线圈将等离子体限制在容器内，还有 6 个环形叠加的偏置场线圈水平环绕托卡马克装置，共同控制等离子体的位置和形状。

在托卡马克的中心，圆柱形中央螺线管可利用能量脉冲在等离子体中产生强大电流。据介绍，ITER 的等离子体电流峰值将达到 1500 万安培，这也创下了全球托卡马克装置新纪录。

据介绍，这里用到的线圈是由欧洲和日本机构赞助并制造的，高 17 米，宽 9 米，重约 360 吨。此外，其适用的不锈钢外壳重约 200 吨，足以抵抗 ITER 运行期间产生的巨大力量。

安装完成后，这些环形磁场线圈将作为一个整体共同运行，这也是有史以来最强的磁体。它们将产生总共 41 吉焦耳的磁能，相当于是地球磁场的 25 万倍左右。

组装完成后，ITER 聚变反应堆将产生 500 兆瓦的峰值热能。如果连接到电网，将能够持续产生 200 兆瓦的电力，可满足 20 万户家庭的用电需求。

公开资料显示，ITER 科学装置的核心是托卡马克综合体，高 80 米（包括地下室），长 120 米，宽 80 米，这也是 ITER 平台的主体。这座七层高的建筑不仅将容纳 ITER 托卡马克，还将容纳 30 多个用于机器运行的不同的工厂系统。

该反应堆仅设计过程就耗时20 年，制造工作横跨三大洲；其建设工作始于 2013 年，计划用 10 年完成建设，并运行 20 年，截至 2015 年投资就已经超过 140 亿美元（IT之家备注：当前约 1020.53 亿元人民币），预计于 2025 年正式开始等离子体实验，2035 年进一步开始进行全氘-氚聚变实验。