ITER

ITER（国际热核聚变实验堆，International Thermonuclear Experimental Reactor）是为了用实验证明核聚变能够成为净能源而建造的世界最大的装置。它以 7 方国际合作，正在法国南部的圣保罗-莱迪朗斯（Saint-Paul-lez-Durance）建设中。本页先浅显地把握 ITER 是一个追求什么目标的装置，然后依次审视它的物理与工程，以及研究的前沿。

一句话概括这个装置（高中水平）

用一句话来说，ITER 就是”为了确认能否用核聚变发电，而真正点起火焰来加以验证的实验堆”。

核聚变是轻的原子核彼此结合成为重的原子核时，释放出巨大能量的反应。太阳之所以发光，也是因为其中心正在发生核聚变。要在地面上引发同样的现象，就需要把作为燃料的氢的同类（氘和氚）加热到约 1 亿度这样惊人的高温，使原子核彼此碰撞。

这么炽热的东西，究竟要怎样装进容器里呢？答案是”磁铁的笼子”。1 亿度的物质会变成一种叫等离子体（plasma）的带电气体，而带电的粒子会像缠绕在磁力线上一样运动。于是用甜甜圈形状的强力磁铁做成笼子，让等离子体悬浮在其中而不接触器壁。这种甜甜圈形状的装置被称为托卡马克（tokamak）。ITER 也是一台巨大的托卡马克。

把 ITER 最主要的目标用做菜来打比方。以往的核聚变实验，都处于点火所用的煤气费比做好的菜的热量还要大的状态。ITER 所追求的，是从用 50 MW 的电加热器开始加热的等离子体中，取出相当于其 10 倍的 500 MW 的核聚变热量。也就是说，投入的能量能有 10 倍返回，这个比值记作 $Q$ ，ITER 以 $Q \geq 10$ 为目标。

另一个重要的目标是制造出”自己持续燃烧的火”。核聚变产生的粒子（阿尔法粒子）自身从内部加热等离子体，即使不太依赖外部加热也能保持炽热状态。这种状态被称为燃烧等离子体（burning plasma）。就像篝火起初借助火柴的帮助，一旦火烧到柴上就能自己持续燃烧一样。ITER 的科学目标，就在于人类首次正式制造出这种燃烧等离子体，并详细研究它的行为。

装置的物理与工程（本科至研究生水平）

目标性能与尺寸

ITER 的核心目标是实现核聚变增益 $Q \geq 10$ 。 $Q$ 是核聚变输出相对于加热输入的比值，定义为

Q = \frac{P_{\mathrm{fus}}}{P_{\mathrm{heat}}}

其中 $P_{\mathrm{fus}}$ 是核聚变输出， $P_{\mathrm{heat}}$ 是从外部注入的加热功率。ITER 以用 50 MW 的加热获得 500 MW 的核聚变输出为目标，这恰好对应 $Q = 10$ 。在数百秒的运行过程中维持这一状态，验证燃烧等离子体的物理，就是其科学目标。

为了达到这一性能，ITER 成为一台非常大的装置。主要参数如下。

项目	值
等离子体大半径 $R$	6.2 m
等离子体电流 $I_p$	15 MA
核聚变输出	500 MW
加热输入	50 MW
目标核聚变增益 $Q$	10 以上

大半径 $R$ 是从甜甜圈的中心轴到等离子体截面中心的距离。 $R = 6.2$ m 这样的尺寸之所以被选定，是因为装置越大，等离子体的中心就越远离器壁，热量越不容易逃逸。

为什么尺寸会起作用

核聚变堆的性能，取决于等离子体能保持多少热量。其指标是能量约束时间（energy confinement time） $\tau_E$ ，表示储存的热能损失所需的大致时间。核聚变依靠自加热成立的条件，被归纳为劳森判据（Lawson criterion）的形式

n T \tau_E > \text{某个一定值}

其中 $n$ 是等离子体的密度， $T$ 是温度。这三者之积（三重积）越大，作为核聚变堆就越有利。

装置越大， $\tau_E$ 有增长的趋势，这就是 ITER 大型化的原因。人们从既有的中型托卡马克的数据中建立了约束性能的经验规律（比例定律），并据此估算出”要达到 $Q \geq 10$ ，需要这样的尺寸”。ITER 也是一个在前所未有的尺寸和燃烧等离子体的区域中验证这一比例定律的实验。

等离子体电流与磁场的作用

在托卡马克中，仅靠外部线圈产生的环向磁场（沿甜甜圈一周方向的磁场），是无法约束等离子体的。要在等离子体自身中通入电流 $I_p$ ，将该电流产生的极向磁场（绕甜甜圈截面方向的磁场）叠加上去，磁力线才会成为拧转的螺旋，稳定的约束才首次得以成立。ITER 的等离子体电流 15 MA，是支撑这种约束的基础。电流越大约束越好，但同时电流骤然失去时的破裂（disruption）所带来的负荷也越大，因此对它的控制成为重要课题。

环向场线圈

约束等离子体的主角，是环向场线圈（toroidal field coil，TF 线圈）。把 D 字形的线圈像环绕甜甜圈一样排列，在内侧产生强磁场。ITER 的 TF 线圈由 18 台构成，使用铌锡（Nb $_3$ Sn）的超导线。采用超导可以消除电阻带来的发热，从而能够长时间持续通入大电流。为此，线圈被冷却到接近绝对零度的约 4 K。

由于强磁场和大电流，线圈上会作用着巨大的电磁力。整个 TF 线圈会受到彼此向内挤压的力，因此在机械上牢牢固定的结构不可或缺。超导带来的强磁场，与承受它的结构之间的兼顾，正是 TF 线圈工程的核心。

加热、真空容器、偏滤器

要把等离子体加热到 1 亿度级别，仅靠通入电流是不够的。要把中性粒子束注入（neutral beam injection）和高频加热（电子、离子回旋加热）等外部加热组合起来，合计注入数十 MW。在 ITER 的设计中， $Q$ 以外部加热 50 MW 为基准来定义。

收纳等离子体的真空容器（vacuum vessel）是不锈钢制的甜甜圈形，内部保持高真空。容器内侧面向等离子体的部分是第一壁（first wall），承受着高热和粒子的负荷。此外，容器的下部有偏滤器（divertor），它有意引导磁力线，一手承担来自等离子体的排热与杂质排出。偏滤器是装置中承受最严酷热负荷的部分，其表面使用熔点高、不易积存氢的钨。

试验包层模块

ITER 的另一个重要作用，是试验自行制造燃料氚（tritium）的技术。氚在自然界中几乎不存在，因此在核聚变堆中需要自己生产。其方法就是用核聚变飞出的中子撞击锂来产生氚的氚增殖（tritium breeding）。

在 ITER 中，为了在真实的堆环境下试验承担这一增殖的包层（blanket）的候选设计，会设置试验包层模块（test blanket module，TBM）。TBM 被安装在真空容器一部分的开口处，实测承受中子后氚能生成多少、热量能如何取出。这里获得的知识，对承担发电的下一代堆来说是不可或缺的。能够在核聚变的中子环境中试验增殖包层的装置别无他处，这是 ITER 独有的实验。

新基线（2024 年公布）

ITER 组织在 2024 年公布了计划的新基线（baseline）。就确切已知的范围列举要点，有以下两条。

其一，是重新审视了运行开始的时间表。原先计划的初等离子体（first plasma）的分阶段方案被改变，转为在把装置以更接近完成的形态启动之后，再进入正式运行的方针。

其二，是把第一壁的材料全面改为钨。在以往的基线中，初期阶段的第一壁计划采用铍，但在新基线中，转为与偏滤器同样用钨来统一的方针。钨熔点高、不易积存作为燃料的氢，具有这些优点，作为未来发电堆的壁材料也被寄予厚望。这一变更，符合在更接近发电堆的条件下进行实验的意图。

研究前沿（博士水平）

ITER 不仅是一台大型装置，更是为了对诸多未解决的问题给出答案的实验平台。这里介绍在论文中也频繁出现的研究主题。

燃烧等离子体物理（burning plasma physics）是 ITER 的核心主题。当阿尔法粒子带来的自加热占据主导时，等离子体会如何行为，在实验室规模上尚未正式得到确认。人们正在研究阿尔法粒子引发的波动与湍流的相互作用、加热剖面的自组织等。

约束的劣化与改善也是持续的主题。如何控制等离子体边缘压力骤然上升的高约束模（H-mode），以及随之而来的周期性喷出现象——边缘局域模（edge localized mode，ELM），是被追问的问题。在 ITER 级的装置中，ELM 带来的瞬时热负荷有损伤器壁之虞，人们正在研究其缓解方法。

破裂（disruption）的预测与规避也很重要。15 MA 这样的大电流一旦突然失去，就会对装置施加巨大的电磁力和热负荷，有时还会产生被称为逃逸电子（runaway electron）的高能电子。利用机器学习的征兆检测，以及通过注入缓解气体来安全停机的方法，正在被活跃地研究。

排热（power exhaust）的问题也是前沿。在全钨化的偏滤器上，稳态的热流密度能降低到什么程度，以及如何抑制钨混入等离子体、通过辐射把等离子体冷却下来的杂质问题，都是课题。

这些研究，直接关系到下一阶段的原型堆 DEMO（/zh-cn/future/demo/）的设计。ITER 中验证的燃烧等离子体物理、超导磁体、远程维护，以及 TBM 带来的氚增殖的知识，将成为支撑发电堆实现的基石。

理解自测

第 1 题 ITER 所追求的核聚变增益 Q 在 10 以上，表示的是怎样的状态？

第 2 题在托卡马克中，要制造出稳定的约束，为什么需要等离子体电流？

第 3 题试验包层模块（TBM）是为了试验什么的装置？

第 4 题在 2024 年公布的 ITER 新基线中，第一壁的材料发生了怎样的变化？