日本核聚变发电实验装置JT-60SA介绍
2015-01-30 20:47:34   来源：   评论：0 点击：

　　托卡马克等离子体实验装置是利用磁场约束圆环形等离子体的技术，其概念由前苏联在1950年代提出的。“托卡马克”是“电磁线圈中的圆环形容器”在俄语中的缩写。

　　性能提升的速度堪比摩尔定律

　　托卡马克一直被认为是最接近核聚变反应堆实用化的技术，各国之间掀起了开发竞争（图1）。日本长期引领着竞争的动向。

　　图1：1990年前半期，托卡马克核聚变技术的进步之势堪比摩尔定律。纵轴的核聚变三重积是指等离子体的密度、约束时间（保温时间）、等离子体的温度的乘积，与输出能量和输入能量的比值（Q值）基本成正比。 

　　在1990年代中期之前，开发竞争成果显著，显现出了性能指标大约2年翻一番的强劲势头。与遵循摩尔定律的晶体管微细化技术的进步不相上下。日本核能研究所（现日本原子能研究开发机构）的托卡马克等离子体约束装置“JT-60U”于1996年实现5.2亿K的离子温度，超过了核聚变发电需要的1亿K。而且，输出（热）能量和输入能量的比值（能量倍增系数，Q值）为1.25，在全世界率先超过了1。

　　开发竞争重点围绕加热技术与提高“保温性能”。实现1亿K以上的超高温必然需要借助加热技术。在加热期间，如果热量外泄，温度将不会升高，因此保温性能同样重要。

　　具有代表性的加热技术有3项：（1）欧姆加热；（2）RF加热；（3）中性束注入（NBI）。（1）利用的原理是向设置在圆环形等离子体中心轴的“中心螺线管（CS）线圈”内通入电流，使等离子体内生成感应电流。等离子体为导体，内部生成电流后会产生焦耳热。（2）是使用微波等高频电场，借助与微波堆相同的原理进行加热的技术。（3）是利用小型粒子加速器加速带电粒子，最后将其转化成中性粒子，注入等离子体内的技术。“很像高达的光束来复枪”（日本原子能研究开发机构核聚变研究开发部门那珂核聚变研究所先进等离子体研究部长、JT-60SA计划日方项目经理镰田裕）。外观也非常相似。

　　保温性能的正式名称叫作“约束时间τE”。提高保温性能除了要具备类似于暖水瓶的容器性能之外，还需要提高线圈的磁场强度，并且对使等离子体保持稳定的技术、防止等离子体发生粒子损失的技术等进行强化。一般来说，容器越大，表面积与体积之比（比表面积）越小，保温性能越好。因此，托卡马克装置的保温性能的提升与装置的大型化步调一致。

　　实用化的“最后1步”走了20多年

　　尽管在1990年代中期实现了5.2亿K的温度和Q=1.25，实用化却至今尚未实现，原因究竟是什么？

　　其实，包括JT-60U在内，此类装置都只采用氘（D）作为模拟燃料。核聚变发电实用化的前提是实现D与氚（T）的核聚变，也就是D-T反应。虽然D本身也存在核聚变反应D-D反应，但将其应用于发电需要10亿K以上的超高温。在1亿～5亿K的温度下反应率非常低，满足不了实用要求。

　　另外，Q=1.25距离实用也存在一定差距。因为这里的输出能量是热能，利用热能驱动蒸汽涡轮发电后，能够得到的电能还不到热能的6成，平均仅为4成左右。因此，Q＞3是发电的最低条件。考虑到商业运营的利润，按照一般观点，托卡马克核聚变堆需要达到Q=50～60。在海外的核聚变风险企业中，有些企业正在倡导采用不使用蒸汽涡轮的新发电技术。

　　虽然Q值的最终目标与Q=1.25之间还有距离，但采用D-T反应的话，在相同的温度下，核聚变反应的反应率将会突飞猛进。核聚变反应释放出的α粒子（4He的原子核）还将起到等离子体加热器的作用。而且，通过进一步发展大型化，保温性能也有望增加。由此可知，D-T核聚变反应堆能够满足实用化需要的条件。

　　不过，实现D-T核聚变反应堆存在几大技术困难：（1）需要实现“包层”，用来增殖堆内核聚变反应释放的高速中子，使其撞击锂（6Li），产生氚（T）后注入反应堆；（2）需要严格管理放射性物质氚的技术；（3）需要开发排除等离子体内杂质（α粒子等）的“偏滤器”；（4）需要前所未有的大型反应堆。

　　曲折坎坷的ITER计划，总成本还在继续膨胀

　　从开发之初，人们就猜测采用以上技术开发D-T核聚变实验反应堆需要巨额成本。而且，D-T反应和大型等离子体还有不少盲点，没有成功的保障。为减少失败时承受的风险，通过国际合作建设反应堆的“International Thermonuclear Experimental Reactor（国际热核聚变实验反应堆，ITER）计划”应运而生。这一大型合作项目得到了欧洲（欧盟）、日本、美国、俄罗斯、中国、韩国、印度等7个国家和地区的参与。

　　项目瞄准的各项性能和运行目标包括：在准稳态运行下，使Q=10以上的等离子体维持3000秒；在用来维持等离子体的输入功率略低的自点火运行下，使Q=30以上的等离子体维持300～500秒；确认包层、偏滤器等的运行情况；对确保环境和安全性进行验证等。各个国家和地区要在完成上述验证后，再自主开发商用反应堆的原型堆（DEMO堆）。

　　不过，ITER计划的发展之路一波三折。该项目于1985年开始实施。当初计划建造核聚变输出（热输出）为1GW规模的反应堆。预定于2013年完工。2016年开始运行。然而，按照当初估算，建设成本约合1万亿日元以上，这遭到了各国的反对，为此，项目从开发目的中删除发电实验，并将输出规模缩小至最大500MW（0.5GW），把总费用压缩到了50亿欧元。

　　2000年代前半期，日本青森县六所村、法国卡达拉什（Cadarache）、加拿大安大略省克拉灵顿（Clarington）之间掀起了实验堆争夺战。加拿大中途退出后，竞争变成了六所村与卡达拉什的一对一较量，最终，因为建设地所在国家需要承担较多的建设成本等原因，日本选择退出，实验堆于2005年6月花落卡达拉什。

　　或许是作为交换条件，日本成为了人才的主要提供国。其实，ITER计划推进主体“ITER组织（IO）”的主席一直由日本人担任。首任主席是曾经任职于外务省的池田要，第二任主席是2010年时担任文部科学省核聚变科学研究所所长的本岛修。不过，本岛的任期将于2015年7月结束，第三任主席估计会来自欧洲。虽然是届满改选，但也有看法认为，不连任或是不继续由日本人担任主席，“是在为计划大幅延迟、总成本大幅膨胀负责”（核聚变技术人员）。

　　选定卡达拉什后，ITER的建设并未马上开始。对实验使用氚感到担忧的法国政府迟迟没有批准建设计划。直到2010年7月，建设计划才终于得到批准并付诸实施。距离计划启动已经过去了25年。

　　ITER计划在资金上也前途多舛。建设成本原本预估需要50亿欧元，但之后不断递增，2009年增至100亿欧元，2010年增至150亿欧元，甚至超过了最初计划的预算。2014年，学术期刊《自然》（Nature）等估算，“ITER的建设总成本已经接近500亿美元”。

　　面对建设成本的疯狂膨胀，美国国内要求再次退出ITER计划的呼声不断高涨。比方说，美国参议院议会于2014年6月通过了事实上退出计划的法案。美国为集中力量发展自主的激光核聚变，在2000年前后曾一度退出ITER计划，之后又重新加入。

　　历经曲折坎坷，官方现在预期建设将于2019年完工，但实际估计会推迟到2023年前后。D-T反应的核聚变实验估计会在2030年前后开始。

　　顺利建设的“影子ITER”

　　作为将ITER建设地让给法国的补偿，日本除了提供人才资源之外，还获得了另一项“特权”。那就是开篇提到的JT-60SA。名称虽然沿袭之前的JT-60系列，但实际是与欧盟的合作项目。过去的JT-60系列采用巨大的常导线圈，而JT-60SA则是采用超导线圈，因此，虽然实现了大型化，但外观却比以前更加苗条。

　　JT-60SA的第一个目的是为ITER提供技术备份，也叫作“卫星托卡马克”。这里不尝试D-T反应，只使用氘（D）开展等离子体控制实验。但在其他地方采用了比ITER更先进的设计。抢先构建出了各国准备在ITER成功后建造的原型堆。装置的成本约为435亿日元，日本与欧盟各承担一半。外围系统的成本为200亿日元，由日本自主承担，总成本仅为600多亿日元，只需要ITER的1/100。

　　成本少于ITER的理由包括：尺寸只有ITER的大约1/2（体积约为1/8）；电流为ITER的1/5；不使用D-T反应，简化了系统；通过采用先进设计等，与ITER相比节约了高昂的线圈成本；可以部分使用曾在东海村运行的JT-60U的外围装置等。不过，实现低成本的决定性因素是“指挥员”没有ITER那么多。“让7个国家和地区的意见和技术水平达到一致非常困难”（核聚变技术人员）。而JT-60SA只有欧盟（实际为意大利、西班牙、法国、比利时和德国）与日本两个国家和地区参与，比较容易作出决策。

　　10m规模的装置容许误差为±1mm

　　JT-60SA虽然受ITER延期的影响，在推迟5年后于2013年1月开工，但之后的建设工作与ITER对照鲜明，进展非常顺利。实验装置的重要部分“真空容器”于2014年秋季开始组装。与圆环形的等离子体平行设置的电磁线圈“极向场线圈”也已安装完毕。环绕圆环骨架的环形线圈预计会在2015年内进行安装。装置将于2018年完工，从2019年开始开展D-D反应等使用模拟燃料的实验。

　　建设工作中最牵动神经的环节是确保精度。等离子体的形状只要稍微偏离设计值，偏差就会扩大，造成等离子体破裂，可能导致反应堆受损。“直径为10m的装置允许的误差为±1mm。底座是由西班牙制作，出色地达到了精度要求”（JT-60SA计划日方项目经理镰田）。

　　装置在设置和组装时，通过利用基于激光的测量和测距技术保证了精度。（记者：野泽 哲生）