经过二十年的设计、生产、制造和在三个大洲的组装，历史性的多国合作 ITER 核聚变能源项目今天庆祝其巨大的环形场线圈从日本和欧洲完成并交付。

日本文部科学大臣森山正人和意大利环境与能源安全部长吉尔伯托·皮凯托·弗拉廷将与其他 ITER 成员国的官员一同出席仪式。

十九个巨大的环形场线圈已经运抵法国南部。它们将成为 ITER 的关键部件，这个实验性核聚变巨型项目将利用磁约束来模拟为太阳和恒星提供能量并照亮地球的过程。

核聚变研究旨在开发一种安全、丰富且环保的能源。

ITER 是由超过 30 个合作国家（包括欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国）共同参与的项目。大部分 ITER 的资金以贡献组件的形式提供。这种安排促使像三菱重工、ASG 超导、东芝能源系统、SIMIC、CNIM 等公司不断拓展其在核聚变所需尖端技术方面的专业知识。

D 形环形场线圈将放置在 ITER 真空容器周围，这是一个被称为托卡马克的甜甜圈形腔室。在这个容器内，轻原子核将融合形成较重的原子核，从而释放出大量的能量。

核聚变反应的燃料是两种氢的形式：氘和氚（DT）。这种燃料将以气体的形式注入托卡马克中。通过在气体中通电，它变成电离等离子体——物质的第四态，一种由原子核和电子组成的云。

等离子体将被加热到 1.5 亿度，比太阳核心高出 10 倍。在这个温度下，轻原子核的速度足够高，能够碰撞并融合。为了塑形、约束和控制这种极热的等离子体，ITER 托卡马克必须产生一个与金属真空容器形状精确匹配的无形磁笼。

ITER 使用铌锡和铌钛作为其巨型线圈的材料。当通电后，这些线圈变成电磁铁。当用液氦冷却至 -269°C （4 开尔文）时，它们变为超导体。

为了创造所需的精确磁场，ITER 使用了三种不同的磁阵列。十八个 D 形环形场磁体将等离子体约束在容器内。极向场磁体，一组水平环绕托卡马克的六个环，控制等离子体的位置和形状。

在托卡马克的中心，圆柱形的中心螺线管使用一个能量脉冲在等离子体中产生强大的电流。ITER 的 1500 万安培的等离子体电流将远远超过当前或以前的托卡马克所能达到的水平。

在欧洲制造了十个线圈，由 ITER 的欧洲国内机构 Fusion for Energy (F4E) 监督。由日本国家量子科学技术研究所（QST）下属的 ITER 日本管理的八个线圈及一个备用线圈也已完成。

每个线圈的完成尺寸巨大：高 17 米，宽 9 米，重约 360 公吨。

这些环形场线圈将共同运行，实际上形成一个最强大的磁铁：有史以来最强的磁铁。

它们将产生总磁能量 41 吉焦耳。ITER 的磁场将比地球的磁场强约 25 万倍。

制造环形场线圈

制造过程从铌锡线材的生产开始。为了制造 19 个环形场线圈，需要超过 87,000 公里的细线。这些线材在中国、欧洲、日本、韩国、俄罗斯和美国生产。

数百条铌锡线材与铜线缆一起缠绕成绳状簇，并插入一个带有中央通道的钢护套中，以适应液氦的强制流动。

结果——一种“导管内电缆”或简称“导体”——形成了线圈的核心元素。这种导体材料被运送到日本和欧洲开始制造过程。

实际的制造过程更加具有挑战性。首先，将约 750 米的导体弯成双螺旋轨迹，并在 650°C 下进行热处理。然后将其精确地安装在一个 D 形“径向板”中，这是一种两侧有槽的钢结构，导体恰好嵌入其中。

导体用玻璃和 Kapton 胶带包裹并绝缘。安装盖板并进行激光焊接。这就形成了一个“双煎饼”，一个由两层导体组成的巨大但精致的子组件。然后整个双煎饼再次用绝缘胶带包裹，并注入树脂以增加结构强度，同时使用真空去除任何气泡。

在下一阶段，七个双煎饼叠加形成一个“绕组包”，构成最终磁铁的核心。每个双煎饼与下一个双煎饼连接以保证电气连续性。整个绕组包被绝缘、热处理，并再次注入树脂。

最后，绕组包被插入一个巨大的、专门设计的不锈钢外壳中，重量约 200 公吨，足够强大以抵抗 ITER 运行期间产生的巨大力量。

超过 40 家公司参与了环形场（TF）线圈的制造。欧洲的一些关键公司包括：

• ASG 超导制造了 70 个 TF 双煎饼和 10 个绕组包。
• CNIM 制造了 35 个 TF 径向板。
• SIMIC 制造了 35 个 TF 径向板并完成了 10 个 TF 线圈。
• Iberdrola 协调了 10 个 TF 线圈绕组包的制造。
• Elytt Energy 制造了 70 个 TF 双煎饼的工具。
• BNG 完成了 10 个 TF 绕组包在 80 开尔文下的冷测试。

日本负责制造所有 19 个 TF 线圈外壳，由三菱重工、东芝能源系统和现代重工合作完成。此外，参与日本 TF 线圈制造的关键公司包括：

• 三菱电机制造了 5 个 TF 绕组包。
• 有泽制造制造了所有绝缘胶带。
• 三菱重工完成了 5 个 TF 线圈。
• 东芝能源系统完成了 4 个 TF 线圈。

“完成并交付 19 个 ITER 环形场线圈是一项巨大的成就，”ITER 总干事 Pietro Barabaschi 说。“我们向各成员国政府、ITER 国内机构、参与的公司以及无数为这一非凡事业奉献了无数时间的个人表示祝贺。”

核聚变如何工作？

• 少量氘和氚（氢）气体被注入一个大型甜甜圈形的真空腔室，称为托卡马克。
• 氢气被加热直到它变成电离等离子体，看起来像一团云。
• 与托卡马克集成的巨大超导磁铁约束并塑形电离等离子体，使其远离金属壁。
• 当氢等离子体达到 1.5 亿摄氏度——比太阳核心高十倍时，聚变发生。
• 在聚变反应中，少量质量转换为大量能量（E=mc^2）。
• 超高能中子由聚变产生，逃离磁场并撞击托卡马克腔室的金属墙，将其能量传递给墙壁作为热量。
• 一些中子与金属墙中的锂反应，产生更多的聚变燃料氚。
• 在托卡马克墙中循环的水吸收热量并转化为蒸汽。在商业反应堆中，这些蒸汽将驱动涡轮机发电。
• 数百个托卡马克已经建成，但 ITER 是第一个设计为实现“燃烧”或主要自加热等离子体的。

ITER 托卡马克将提供多少电力？

ITER 工厂将产生约 500 兆瓦的热功率。如果连续运行并连接到电网，这将转化为约 200 兆瓦的电力，足以供应约 20 万户家庭。

商业核聚变电厂将设计一个稍大的等离子体腔，产生 10-15 倍的电力。例如，一个 2000 兆瓦的核聚变电厂将为 200 万户家庭提供电力。

核聚变电厂是无碳的；它们不释放 CO2。