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世界最大“人造太陽(yáng)”昨日啟動(dòng)組裝!

作者: 時(shí)間:2020-07-29 來(lái)源:ITER 新聞稿、官方網(wǎng)站 收藏

  歷經(jīng)十四年籌備,世界上最大的裝置——國(guó)際熱實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆()在法國(guó)南部正式開(kāi)始組裝工作,意味著人類(lèi)距離實(shí)現(xiàn)可控又近了一步。該項(xiàng)目由 35 個(gè)國(guó)家合作完成,中國(guó)提供了磁體饋線、極向場(chǎng)線圈等重要部件。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/202007/416411.htm

  可控核聚變被稱(chēng)為“”,能用極少量的清潔燃料產(chǎn)生大量能量,被視為解決能源和氣候問(wèn)題的理想方案。接下來(lái), 計(jì)劃用 4.5 年完成安裝,到 2025 年進(jìn)行第一次等離子體放電,最終驗(yàn)證核聚變商業(yè)化應(yīng)用的可行性。

圖片來(lái)源:ITER

圖片來(lái)源:

  當(dāng)?shù)貢r(shí)間 7 月 28 日,世界上最大的核聚變裝置——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER),在法國(guó)南部正式開(kāi)始組裝,這也標(biāo)志著新能源時(shí)代的開(kāi)始。35 個(gè)合作國(guó)家的領(lǐng)導(dǎo)人通過(guò)視頻遠(yuǎn)程參加了慶典。

  近幾個(gè)月,來(lái)自世界各地的組件陸續(xù)抵達(dá)法國(guó),使得 ITER 的組裝啟動(dòng)成為可能。這表明共同參與 ITER 國(guó)際研究項(xiàng)目的 35 個(gè)國(guó)家愿意以這種方式來(lái)共同應(yīng)對(duì)氣候變化。

  太陽(yáng)通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量,向地球傳遞光和熱,使地球上的生命得以延續(xù)。ITER 就是通過(guò)模仿太陽(yáng)的核聚變過(guò)程,以達(dá)到產(chǎn)生能量的目的。核聚變能夠提供清潔、可靠的能源,并且不產(chǎn)生碳排放。核聚變也是安全的,因?yàn)樗恍枰倭康娜剂?,并且物理上不存在因熔毀而發(fā)生泄漏事故的可能。

  核聚變的燃料存在于海水和金屬鋰中,可以持續(xù)供應(yīng)幾百萬(wàn)年。一個(gè)菠蘿大小的核燃料所釋放的能量就相當(dāng)于 1 萬(wàn)噸煤燃燒釋放的能量。

  建造和運(yùn)營(yíng)一座核聚變反應(yīng)堆的成本與核裂變反應(yīng)堆的成本相近,但它產(chǎn)生的廢棄物不需要花費(fèi)高昂的成本和漫長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行處理。

  一旦 ITER 項(xiàng)目完成,它將證明核聚變可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?;虡I(yè)運(yùn)作,持續(xù)產(chǎn)生能量。

  前所未有的國(guó)際合作

  上世紀(jì) 50 年代,蘇聯(lián)科學(xué)家首次提出了托卡馬克的概念——磁約束聚變,此后核聚變能量研究一直是國(guó)際上廣泛合作的領(lǐng)域。ITER 項(xiàng)目于 2006 年誕生,35 個(gè)合作國(guó)家包括歐盟成員國(guó)(加上英國(guó)和瑞士)、中國(guó)、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)。

  這些國(guó)家總計(jì)擁有世界 50% 以上的人口,全球 80% 以上的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP),匯集了大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和資源,使建造世界上第一個(gè)具有工業(yè)規(guī)模的核聚變裝置成為可能。

  法國(guó)是東道國(guó)。歐盟、英國(guó)和瑞士是東道主成員國(guó),它們?yōu)?nbsp;ITER 項(xiàng)目提供了 45% 的資金。其他成員國(guó)各出資 9%,即美國(guó)、中國(guó)、日本、俄羅斯、印度和韓國(guó)。

  ITER 成員國(guó)的貢獻(xiàn)約 90% 以實(shí)物形式提供,增加了這個(gè)多重機(jī)器的國(guó)際復(fù)雜性。這個(gè)機(jī)器被稱(chēng)為托卡馬克(Tokamak),它來(lái)自俄語(yǔ),意為“磁環(huán)”。完成后的托卡馬克將由 100 多萬(wàn)個(gè)部件組成。

托卡馬克裝置示意圖。圖片來(lái)源:ITER

托卡馬克裝置示意圖。圖片來(lái)源:ITER

  為了準(zhǔn)備機(jī)器組裝,近幾個(gè)月來(lái),這些前所未有的巨型部件已經(jīng)陸續(xù)運(yùn)抵法國(guó)。大部分的部件都重達(dá)幾百?lài)?,長(zhǎng)度超過(guò) 15 米。這些零件是世界各地工廠、大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 5 年多來(lái)的技術(shù)結(jié)晶。

  托卡馬克組件必須滿足非常嚴(yán)格的規(guī)范。它們還必須遵循一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間表,按時(shí)到達(dá)法國(guó)。ITER 總干事 Bernard Bigot 博士說(shuō):“一部分一部分地組裝機(jī)器,就像在一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間軸上組裝一個(gè)三維拼圖?!?/p>

  他說(shuō):“項(xiàng)目管理、系統(tǒng)工程、風(fēng)險(xiǎn)管理和機(jī)器裝配物流的每一個(gè)方面都必須協(xié)同配合,像瑞士手表一樣精確。未來(lái)幾年,我們有一個(gè)復(fù)雜的流程需要遵循。”

  組裝工作將于 2025 年 12 月結(jié)束。到那時(shí),ITER 項(xiàng)目的科學(xué)家和工程師們將進(jìn)行第一次等離子體放電。

  托卡馬克將提供多少能量?

  ITER 項(xiàng)目的核電站將產(chǎn)生大約 500 兆瓦的熱能。如果持續(xù)運(yùn)行并接入電網(wǎng),產(chǎn)生的能量將轉(zhuǎn)化為大約 200 兆瓦的電能,足夠 20 萬(wàn)戶(hù)家庭使用。

  商業(yè)核聚變電站可能采用稍大一點(diǎn)的等離子體室,一座電站可以提供的電力相當(dāng)于 ITER 的 10 到 15 倍。一座 2000 兆瓦的核聚變電站可以為 200 萬(wàn)戶(hù)家庭供電。

  并且,核聚變發(fā)電廠運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有碳排放,也就是說(shuō)不會(huì)釋放二氧化碳。但是核聚變技術(shù)對(duì)解決氣候變化問(wèn)題的貢獻(xiàn)取決于核聚變反應(yīng)堆建造的速度。目前,超過(guò) 70% 的碳排放來(lái)自于能源的使用,超過(guò) 80% 的能源消耗又來(lái)自于化石燃料。

  Bigot 博士預(yù)測(cè)說(shuō):“如果核聚變能夠投入廣泛使用,并成為可再生能源的補(bǔ)充,那么電力的使用量將大大提升,由交通、建筑和工業(yè)所帶來(lái)的溫室氣體排放將減少。實(shí)現(xiàn)僅使用清潔能源將是我們這個(gè)星球的一個(gè)奇跡。”

  ITER 都有哪些部件?

ITER 組件建造分工,中國(guó)主要參與建造磁體饋線(feeder,左上角)和極向場(chǎng)線圈(PF coils,左下角)。圖片來(lái)源:ITER

ITER 組件建造分工,中國(guó)主要參與建造磁體饋線(feeder,左上角)和極向場(chǎng)線圈(PF coils,左下角)。圖片來(lái)源:ITER

  |低溫恒溫器

  由印度制造的低溫恒溫器(Cyrostat)是托卡馬克真空容器和限制超熱等離子體的超導(dǎo)磁體周?chē)摹氨仄俊薄?/p>

  它高 30 米,直徑 30 米,是有史以來(lái)最大的不銹鋼真空室。它包含四個(gè)主要部分:底座、下氣缸、上氣缸和上蓋。下筒體的尺寸與巨石陣相當(dāng)。

  低溫恒溫器的基座部分重 1250 噸,是 ITER 最重的部件。它是第一個(gè)被安裝到托卡馬克坑的主要部件,于 5 月完成安裝,以不到 3 毫米的精度固定到位。

低溫恒溫器的基座。圖片來(lái)源:ITER Organization/EJF Riche

低溫恒溫器的基座。圖片來(lái)源:ITER Organization/EJF Riche

  |ITER 磁體

  ITER 使用三種緊密結(jié)合的磁體來(lái)容納、控制、塑造和脈沖出 1.5 億攝氏度的等離子體。為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),磁體內(nèi)部用 -269 攝氏度的液氦進(jìn)行冷卻,這相當(dāng)于星際空間的溫度。

  |環(huán)向場(chǎng)線圈

  該組件由日本和歐洲制造,其部件來(lái)自中國(guó)、韓國(guó)和俄羅斯。超過(guò) 40 家公司參與了這 18 個(gè)環(huán)向場(chǎng)(TF)線圈的制造。

  TF 線圈的作用是限制電離等離子體粒子。每一塊磁鐵都有四層樓高,重 360 噸。首批兩個(gè) TF 線圈已于 4 月份從日本和意大利運(yùn)抵 ITER 現(xiàn)場(chǎng)。

  |極向場(chǎng)線圈

  這些環(huán)形磁體由中國(guó)、歐洲和俄羅斯制造,將安裝于 TF 線圈系統(tǒng)之外。極向場(chǎng)(PF)線圈約束等離子體的形狀,并使其遠(yuǎn)離壁面。

  共有 6 個(gè)PF線圈,直徑從 10 米到 24 米不等,重量高達(dá) 400 噸。第一個(gè) PF 線圈 5 月份從中國(guó)運(yùn)抵 ITER。第二個(gè)由歐洲在裝配現(xiàn)場(chǎng)制造。

 在 ITER China 網(wǎng)站上可以查看所有中國(guó)制造的部件。網(wǎng)址:http://www.iterchina.cn/index.html

 在 ITER China 網(wǎng)站上可以查看所有中國(guó)制造的部件。網(wǎng)址:http://www.iterchina.cn/index.html 

  |中心螺管

  中心螺管(Central Solenoid,CS)由美國(guó)制造,這是 ITER 磁體組件中最強(qiáng)大的一個(gè)。它有時(shí)被稱(chēng)為 ITER 的“跳動(dòng)的心臟”,因?yàn)樗軌蛟诘入x子體中以長(zhǎng)脈沖的形式啟動(dòng)一個(gè)強(qiáng)大的電流。

  中心螺管由六個(gè)模塊組成,組裝后將達(dá)到 13 米或 18 米高,并附帶支撐結(jié)構(gòu),重量將達(dá)到一千噸。它的磁力將足以吸起一艘航空母艦。

  CS 線圈組相互獨(dú)立運(yùn)行,將產(chǎn)生巨大的電磁力,拉向不同的方向。支撐結(jié)構(gòu)所要承受的力達(dá)到航天飛機(jī)升空時(shí)推力的兩倍。第一個(gè) CS 模塊將于 2020 年秋季抵達(dá) ITER 所在地。

  |真空容器

  真空容器的部件來(lái)自韓國(guó)(4  個(gè)部件)和歐洲(5 個(gè)部件),突出的端口由俄羅斯提供。真空容器是一個(gè)密封的、甜甜圈形狀的不銹鋼腔體。在其內(nèi)部,等離子體粒子可以不接觸腔壁,不斷地旋轉(zhuǎn)。

  真空容器的 44 個(gè)端口連接遠(yuǎn)程操作、診斷、加熱和真空系統(tǒng)。容器內(nèi)表面的包層模塊將屏蔽核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子。

  ITER 真空容器(體積 840 m3)中心容納的等離子體體積是其他托卡馬克裝置的 10 倍。第一個(gè)真空容器部件于 7 月 21 日抵達(dá)法國(guó),機(jī)器開(kāi)始組裝。

  |建筑和土木工程

  整個(gè) ITER 工地的建筑和土木工程由歐洲建造,大約完成了 75%。以下是三個(gè)示例。

  托卡馬克廠房和裝配大廳已經(jīng)完工,上方是一臺(tái) 170 米高的門(mén)式起重機(jī),支撐著兩臺(tái) 750 噸重的起重機(jī),用于運(yùn)輸和定位部件。

  世界上最大的集中式低溫設(shè)備,已經(jīng)完成了 60%。它提供液氮制造超低溫,使超導(dǎo)磁體得以運(yùn)作。這些設(shè)備來(lái)自中國(guó)、印度、瑞典、捷克共和國(guó)、芬蘭、意大利、日本和法國(guó)。超低溫管線(cryolines)主要來(lái)自印度。

  磁體供能轉(zhuǎn)換廠房(Magnet Power Conversion buildings)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,為 ITER 的磁體供能,其電壓和電流保持在精確的數(shù)值,內(nèi)部設(shè)備由中國(guó)、印度、韓國(guó)和俄羅斯專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

磁體供能轉(zhuǎn)換廠房示意圖,中國(guó)提供了其中 14 個(gè)變流器。圖片來(lái)源:https://www.iter.org/newsline/-/2779

磁體供能轉(zhuǎn)換廠房示意圖,中國(guó)提供了其中 14 個(gè)變流器。圖片來(lái)源:https://www.iter.org/newsline/-/2779

  ITER 中心組織負(fù)責(zé)整合來(lái)自世界各地的組件來(lái)組裝 ITER,包括托卡馬克本身的組裝以及支持系統(tǒng)的并行安裝,支持系統(tǒng)包括射頻加熱、燃料循環(huán)、低溫、冷卻水、真空、控制和高壓電氣系統(tǒng)。

  主要組裝活動(dòng)將在托卡馬克大樓進(jìn)行,ITER 設(shè)備將安裝在部分嵌入的混凝土生物防護(hù)罩中。在裝配階段,這座建筑將保持潔凈和恒溫,以避免最大型的部件出現(xiàn)哪怕最輕微的變形。組裝、支撐和定位托卡馬克組件將用到超過(guò) 150 個(gè)專(zhuān)用工具,其中一些重達(dá) 800 噸。

  環(huán)形托卡馬克將分為 9 個(gè)子組件,在鄰近的裝配大廳內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝配。每一個(gè)子組件的弧度為 40 度,其中包含一塊環(huán)形真空容器組件、一個(gè)保護(hù)性的鍍銀隔熱罩和兩個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)線圈。

  托卡馬克主要部件的尺寸、重量、微小的公差、制造商的多樣性以及緊湊的日程安排,使得 ITER 成為一個(gè)巨大的工程和物流挑戰(zhàn)。組裝 ITER 設(shè)備將花費(fèi) 4.5 年的時(shí)間。

  核聚變反應(yīng)堆的工作過(guò)程

  雖然數(shù)百個(gè)托卡馬克已經(jīng)被建造,但 ITER 項(xiàng)目中的托卡馬克將是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“燃燒”,或者說(shuō)自加熱等離子體的裝置。在核聚變反應(yīng)中,微小的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量,主要反應(yīng)過(guò)程如下:

  1。 幾克氘和氚氣體被注入一個(gè)巨大的、甜甜圈形狀的反應(yīng)室,即托卡馬克;

  2。 加熱氣體,直到它變成云狀的電離等離子體;

  3。 總重量達(dá)一萬(wàn)噸的超導(dǎo)磁體制造并控制電離等離子體;

  4。 當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到 1.5 億攝氏度,就會(huì)發(fā)生核聚變,這一溫度達(dá)到太陽(yáng)核心溫度的 10 倍;

  5。 核聚變產(chǎn)生的超高能中子逃逸出磁籠,以熱的形式傳遞能量;

  6。 在托卡馬克水冷壁內(nèi)循環(huán)的水可以吸收逸出的熱量并產(chǎn)生蒸汽,在商業(yè)反應(yīng)堆里,這一過(guò)程帶動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。



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