國際熱核聚變實驗反應堆

國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，縮寫：ITER）是國際核聚變研究和巨型工程，將成為世界上最大的磁約束等離子體物理學實驗，這是目前正在建設世界上最大的實驗性託卡馬克核聚變反應堆，鄰近於法國南部的卡達拉舍設施。ITER 工程的目標是從等離子體物理實驗研究，到大規模電力生產的核聚變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聚變能源之路。

它建立在由、歐洲聯合環狀反應爐（JET）、JT-60、、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。此專案預期將持續 30 年：10 年用於建設，20 年用於執行，總花費大約 100 億歐元。

該專案是由七個成員實體資助和執行，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％。2016 年，ITER 組織與澳大利亞國家核聚變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。

ITER 託卡馬克綜合設施的建設始於 2013 年，至 2015 年 6 月，建築成本已超 140 億美元。截至 2021 年 5 月，ITER 對第一等離子體的完成率接近 75%，並將於其後數年開始嘗試啟動反應堆。預計於 2025 年正式開始等離子體實驗，2035 年進一步開始進行全氘 - 氚聚變實驗。

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。

核聚變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聚變反應本身產生的中子來生成。此外，相對於傳統的核反應堆所產生的汙染物，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聚變反應堆。該計劃預計將持續 30 年 —— 10 年建造，和 20 年執行。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。反應堆預計需花費 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。

核聚變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，透過在其約 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等離子體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。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

國際熱核聚變實驗反應堆開始於 1985 年，里根 - 戈爾巴喬夫倡議的蘇聯，歐盟（透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。

這個專案下一階段的合作包括建設一個磁核聚變研究的示範反應堆。當時，蘇聯、歐盟、美國、和日本都在持續進行磁核聚變研究。進行下一步的核聚變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，參加這一專案的歐盟、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，參加國際熱核聚變實驗反應堆計劃的 7 方代表在法國總統府正式簽署了聯合實驗協定及相關檔案。

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，國際熱核聚變實驗反應堆合作協定正式開始實施，國際熱核實驗反應堆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，法國總統馬克龍表示，世界上最偉大的進步，往往源自於大膽的賭注與坎坷之路。

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，該專案的目標是：

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）。

反應堆的規格

計劃中的等離子體的引數：

等離子體大半徑：6.2m
等離子體小半徑：2.0m
等離子體容量：840m3
等離子體電流：15.0MA
軸向環形磁場強度：5.3T（特斯拉）
聚變功率：500MW
等離子體維持時間：>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）主持的國際託卡馬克反應堆（INTOR）研討會，以評估磁聚變的準備進展到實驗電力反應堆（experimental power reactor，縮寫：EPR）階段，以確定必須進行的進一步的研發，並透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 要求的託卡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：

在 1985 年推出， ITER 專案正式被同意並資助於 2006 年按照一個成本估算為€100 億歐元（$128 億美元）預測施工開始於 2008 年，10 年後完成。
1988 年概念設計活動執行從 1988 年至 1990 年。
1992 年工程設計活動正式開始。
1998 年。在 6 月，工程設計活動 “最終設計” 獲得批准。
2001 年。在 6 月， “成本削減”“ITER-FEAT” 設計得到了同意。
2006 年。 ITER 專案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。
然而，在 2013 年，該專案的執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。
2013 年 5 月，ITER 反應堆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》雜誌公佈了 ITER 管理評估報告，列出 11 必需的建議，例如：“建立專案文化”，“灌輸核安全文化”，“發展一個現實的 ITER 專案計劃” 和 “簡化並減少官僚作風”。 美國考慮退出，但 2015 年仍然資助 ITER。
2015 年 11 月，專案審查得出結論，時間表可能需要延長至少 6 年；（例如，2026 年的第一個等離子體）。
2016 年伊朗原子能組織完成了伊朗參加 ITER 的初步工作。
2019 年 7 月完成了低溫恆溫器底座和底部柱體的安裝，為託卡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。
2020 年 7 月 28 日，國際熱核聚變實驗堆託卡馬克裝置安裝工程啟動。

成員

6.1 當前成員

地點

2005 年 6 月 28 日，參與實驗專案的中國、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）建造實驗反應堆。國際熱核聚變實驗反應堆設施的建設開始於 2007 年，而託卡馬克裝置本身的組裝被規劃開始於 2015 年。

（Fusion for Energy）是負責該專案的歐洲貢獻的歐洲聯盟機構，位於西班牙巴塞羅那。

聚變功率

ITER 將使用環形加速器產生溫度超過 10 億攝氏度的氫等離子體，它將產生大約 5 億瓦特（500 MW）的核聚變能量，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

是介於當前的等離子體物理研究，和未來的核聚變發電站之間的試驗性步驟，將為在 2025 年建設第一座可商業執行的等離子發電裝置做好技術準備。

這個計劃在其 30 年的運轉週期，預料會耗費大約 100 億歐元，因此該專案成為人類有史以來繼國際空間站之後第二昂貴的國際科學合作專案。

與 ITER 同時執行的專案是國際聚變材料放射測試設施專案（International Fusion Materials Irradiation Facility，縮寫：IFMIF）。IFMIF 用來測試未來開發核聚變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：專案（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

批評和回應

整個專案曾經歷包括綠色和平在內的環境組織的反對，他們認為 ITER 專案是 “瘋狂而愚蠢的行為” 並宣稱 “核聚變擁有核電站所有隱患，包括產生核廢料以及核洩漏的風險”。

但是依據物理資料，核融合相較於核分裂，產生的廢料微乎其微，並且由氘和氚所反應而產生的是氦，不會產生溫室氣體或直接核廢料，僅會產生衣物等二等核廢料，在經過適當處理後便不會造成危害。

類似的專案

ITER 的前身是歐洲聯合環形加速器（JET）和。