ITER刚刚完成了可以"囚禁太阳"的磁铁

ITER托卡马克示意图。图片来源：ITER组织

国际热核聚变实验堆 (ITER) 项目向清洁能源迈出了一大步，已建成世界上最大、最强大的脉冲超导磁体系统，旨在帮助释放与太阳能相同的能源。

ITER（发音为“eater”）是 30 多个国家之间的大规模合作，旨在共同努力证明聚变能可以成为地球安全、无限且无碳的动力源。

最终的拼图是一块巨大的中央螺线管磁铁，它在美国制造并测试，其强度足以举起一艘航空母舰。一旦安装在法国南部的ITER设施中，它将作为聚变反应堆的动力源，与来自俄罗斯、欧洲和中国的六块巨型环形磁铁协同工作。

整个磁体系统总重近3000吨，构成了ITER托卡马克装置的电磁核心。托卡马克装置是一个未来主义的甜甜圈形状的反应堆，旨在在地球上复制恒星的能量。

在ITER建造现场的托卡马克坑内，安装第一块超导磁体——极向场线圈6号。真空容器组装完成后，中央螺线管将安装在中心位置。图片来源：ITER

这种脉冲超导电磁系统是如何工作的？

步骤 1. 将几克氢燃料（氘和氚气）注入 ITER 巨大的托卡马克腔室。

第 2 步。脉冲磁体系统发送电流使氢气电离，形成等离子体，即带电粒子云。

步骤 3. 磁铁创建一个“隐形笼子”，限制和塑造电离等离子体。

步骤4.外部加热系统将等离子体温度升高到1.5亿摄氏度，比太阳核心温度高十倍。

第五步，在这个温度下，等离子体粒子的原子核结合、聚变，释放出大量的热能。

中央螺线管的第六个模块于2025年4月在通用原子公司完成。中央螺线管与其他五个已完成的模块组合后，将构成ITER托卡马克和脉冲磁体系统的核心。图片来源：通用原子公司/ITER

ITER 预计全面投入运行后，仅需 50 兆瓦的输入加热功率即可产生 500 兆瓦的聚变功率，效率提升十倍。在这种效率水平下，聚变反应基本自热，形成“燃烧等离子体”。

通过整合工业规模核聚变所需的所有系统，ITER 为其 30 多个成员国提供了一个庞大而复杂的研究实验室，提供优化商业核聚变所需的知识和数据。

ITER是由30多个国家组成的国际合作项目，旨在验证聚变——太阳和恒星的能量——作为地球丰富、安全、无碳能源的可行性。图片来源：ITER

全球团结的象征

ITER的地缘政治成就同样令人瞩目：ITER的七个成员国——中国、欧洲、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国——持续合作。数千名科学家和工程师从三大洲数百家工厂贡献零部件，共同建造了这台机器。

ITER 总干事皮埃特罗·巴拉巴西奇表示：“ITER 的独特之处不仅在于其技术的复杂性，还在于其在不断变化的政治格局中得以维持的国际合作框架。”

“这一成就证明，当人类面临气候变化和能源安全等生存挑战时，我们可以克服国家差异，推动解决方案的实施。”

ITER项目是希望的体现。通过ITER项目，我们向世人展示了可持续能源的未来和和平发展道路的可行性。

战略性知识转移计划

2024年，ITER项目100%完成了建造目标。随着大部分主要部件的交付，ITER托卡马克装置目前正处于组装阶段。2025年4月，第一个真空室扇区模块被装入托卡马克装置基座，比原计划提前了约三周。

将合作扩展到私营部门

过去五年，私营部门对聚变能研发的投资激增。2023年11月，ITER理事会认识到了这一趋势所带来的价值和机遇。

他们鼓励ITER组织及其国内机构积极与私营部门合作，转移ITER积累的知识，以加速实现核聚变的进程。

2024年，ITER启动了一项私营部门聚变参与项目，该项目提供了多种渠道，用于共享知识、文献、数据和专业知识，并开展研发合作。这项技术转移计划包括分享ITER全球聚变供应链的信息，这是回馈成员国政府及其企业的另一种方式。

2025年4月，ITER将举办一次公私合作研讨会，共同探讨解决核聚变剩余挑战的最佳技术创新。

正在法国南部建造的ITER实验装置。托卡马克装置建筑位于中心，其结构与实验装置呈镜像关系。图片由ITER组织/EJF Riche提供。

成员国的协调贡献

根据《ITER协议》，成员国以建造和供应部件的形式承担ITER建设的大部分成本。这意味着每个成员国的融资主要用于其自身公司，用于生产ITER极具挑战性的技术。在此过程中，这些公司也推动了创新并积累了专业知识，从而构建了全球聚变供应链。

欧洲作为东道主成员国，承担ITER托卡马克及其支持系统45%的建设成本。中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国各承担9%，但所有成员国均可获得100%的知识产权。

美国

美国建造了中央螺线管，它由六个模块和一个备用模块组成。

美国还向ITER项目交付了“外骨骼”支撑结构，该结构将使中央螺线管能够承受其产生的极端力量。该外骨骼由9000多个独立部件组成，由8家美国供应商制造。

此外，美国还制造了ITER环形场磁体中使用的约8%的铌锡（Nb3Sn）超导体。

俄罗斯

俄罗斯已经交付了直径 9 米的环形极向场磁体，它将位于 ITER 托卡马克的顶部。

俄罗斯还与欧洲密切合作，生产了约 120 吨铌钛 (NbTi) 超导体，约占 ITER 极向场磁体所需总量的 40%。

此外，俄罗斯还为 ITER 的环形场磁体生产了约 20% 的铌锡 (Nb3Sn) 超导体。

俄罗斯还制造了巨型母线，为磁铁提供所需电压和电流，以及 ITER 真空容器部分的上部端口插头。

欧洲

欧洲已在法国现场制造了四块环形极向场磁铁，直径从17米到24米不等。

欧洲与俄罗斯密切合作，制造用于 PF 磁体 1 和 6 的铌钛 (NbTi) 超导体。

欧洲还交付了 10 个 ITER 环形场磁体，并生产了这些 TF 磁体中使用的大量铌锡 (Nb3Sn) 超导体。

欧洲正在建造托卡马克真空容器九个部分中的五个部分，托卡马克真空容器是一个环形腔室，将在其中进行聚变。

中国

中国根据与欧洲的协议，制造了一块10米长的极向场磁体。它已经安装在部分组装的ITER托卡马克装置底部。

中国还为 PF 磁体 2、3、4 和 5 贡献了铌钛 (NbTi) 超导体，约占 PF 磁体总量的 65%，加上环向场磁体超导体的约 8%。

此外，中国还贡献了18个超导校正线圈磁铁，放置在托卡马克周围，以微调等离子体反应。

中国已交付了 31 台磁体进料器，这些多车道高速公路将为 ITER 的电磁铁提供电力，并提供液氦将磁体冷却至 -269 摄氏度，即超导所需的温度。

日本

日本已经生产并向美国发送了用于制造中央螺线管模块的 43 公里铌锡 (Nb3Sn) 超导线。

日本还生产了 18 个环形场 (TF) 磁铁中的 8 个，外加一个备用磁铁，以及 TF 磁铁的所有外壳结构。

日本还生产了用于环形场磁体的 25% 的铌锡 (Nb3Sn) 超导体。

韩国

韩国已经生产出用于预组装 ITER 最大部件的工具，使 ITER 能够以毫米级精度将环形场线圈和热屏蔽安装到真空容器扇区中。

韩国还生产了 20% 的环形场磁体所用的铌锡 (Nb3Sn) 超导体。

此外，韩国还制造了热屏蔽，为超热聚变等离子体和超冷磁体之间提供物理屏障。

韩国已交付托卡马克真空室九个组件中的四个。

印度

印度制造了 ITER 低温恒温器，这是一个高 30 米、直径 30 米的恒温器，可容纳整个 ITER 托卡马克装置。

印度还提供了输送液氦来冷却 ITER 磁体的低温管线。

此外，印度还负责提供ITER的冷却水系统、托卡马克的内壁屏蔽以及外部等离子体加热系统的多个部分。

ITER磁体系统总计将包含1万吨超导磁体，总储磁能达51吉焦耳。制造这些磁体的原材料包括超过10万公里的超导线材，由6个国家的9家工厂生产。

ITER 各磁体系统的技术规格是什么？

中央螺线管（圆柱形磁铁）

高度：18 米（59 英尺）

直径：4.25 米（14 英尺）

重量：~1000 吨

磁场强度：13 特斯拉（比地球磁场强 280000 倍）

储存的磁能：6.4 千兆焦耳

将启动并维持 15 MA 的等离子电流，持续 300-500 秒脉冲

美国制造

材料：日本生产的铌锡（Nb₃Sn）超导股线

冷却：在 4.5 开尔文（-269°C）下运行，使用液氦低温技术保持超导性

结构（外骨骼）：可承受 100 MN（兆牛顿）的力 - 相当于航天飞机发射推力的两倍。

极向场磁铁（环形磁铁）

直径：范围从 9 米（PF1）到 10 米（PF6），到 17 米（PF2、PF5），到 25 米（PF3、PF4）

重量：从 160 吨到 400 吨

在俄罗斯、欧洲（法国）和中国制造

材料：铌钛（NbTi）超导股线，产自欧洲、中国和俄罗斯

冷却：在 4.5 开尔文（-269°C）下运行，使用液氦低温技术保持超导性

环形场线圈（D 形磁体，2023 年底完成）

每个线圈：高 17 米 × 宽 9 米

重量：每个约 360 吨

制造于欧洲（意大利）和日本

材料：铌锡（Nb3Sn）超导股线，产自欧洲、韩国、俄罗斯和美国

冷却：在 4.5 开尔文（-269°C）下运行，使用液氦保持超导性

校正线圈和磁铁送料器

校正线圈：中国制造；对等离子体稳定性的精细调整至关重要。

磁体进料器：向磁体输送低温、电力和仪表信号；也是中国制造。

编译自/ScitechDaily