研究人员建议ITER设计应更耐高温更稳定

研究人员建议，ITER的一个关键部分，称为分流器的排气系统，必须能够承受高温，钨材料应该用来代替原来的碳涂层。资料来源:ITER

国际热核试验反应堆(ITER)聚变反应堆项目的科学顾问最近提议改变几个可能增加技术风险的关键设计。该提案由ITER科学技术咨询委员会(STAC)提出，正在等待ITER委员会的批准。ITER模特部门的负责人阿尔伯托·洛阿尔特说，如果这个提议被批准(正如预期的那样)，“以后出现意外的机会会更少”。"这次冒险将会成功。"

作为一个国际科研合作项目，ITER是在法国建造的，以表明核聚变是可控的，并可用于生产能源。然而，实现这一目标包括一系列技术难题，如将氢加热到1.5亿摄氏度，使氢原子核有足够的驱动力融合在一起。为此，研究人员正在建造一个叫做托卡马克装置(一种受控热核反应装置)的巨大圆形容器，以限制电离气体或等离子体使用强磁场。ITER的目标是利用等离子体产生500兆瓦的热量，而加热等离子体只需要其热量的十分之一——50兆瓦。这种乘数效应是惊人的。

在STAC会议上决定的对ITER来说最重要的变化是基于称为偏滤器的托卡马克装置的结构变化。它的主要功能是去除氦(聚变反应的“废气”)。分流器是整个装置中的超热等离子体能够接触的唯一固体表面，因此它必须能够吸收大量的热量，大约每平方米10MW。

现有计划要求ITER的第一个分流器配备外部碳装置。这是出于安全考虑:在托卡马克装置内部，碳是有效的；碳可以承受高温。如果发生爆炸并进入等离子体，设备中的温度不会受到很大影响。然而，碳的真正问题是它容易与氢反应。在ITER操作的早期，这不是一个大问题，当时研究人员计划在机器中使用氢或氦来发现ITER是如何工作的。在稍后阶段，当研究人员准备使用真正的聚变燃料(高活性氢同位素氘和超重氢的混合物)时，碳涂层成为一个大问题。超重的氢具有放射性，因此需要小心控制。从放置的角度来看，核监管机构永远不会考虑能够吸收过量氢的偏滤器材料。

为了解决这个问题，计划者建议在改用钨制成的分流器之前，先使用带有碳涂层的ITER分流器。钨是熔点最高的金属:3422℃。在ITER的正常稳定运行下，钨可以承受高温。然而，任何意外爆炸产生的热量都可能熔化分流器，而钨不同于碳(碳可以立即破坏等离子体并停止熔化)。因此，当使用钨偏滤器时，研究人员在操作反应器时需要更加小心，以避免极端操作，从而使等离子体不稳定。

尽管钨有一些缺点，STAC仍然建议ITER在开始时使用钨制成的分流器。“这是一个艰难的决定，”STAC总统、西班牙国家聚变研究所所长约阿金·桑切斯说。这个决定是在其他托卡马克实验室经过多年测试后做出的，尤其是在尺寸和设计上与ITER最相似的库勒姆联合欧洲环(JET)。几年前，JET的研究人员对其进行了改进，将偏滤器改为钨偏滤器，并制成铍内层(与ITER的设计相同)。经过一年的测试，他们确认JET可以正常工作，不会给ITER带来任何麻烦。

尽管一些聚变研究人员认为，在开始时使用成熟的技术(如ITER的碳分流器)会更安全，此外，使用成熟的技术也可以让研究人员进行一些极端的操作，以测试ITER的最大工作效率。然而，使用钨偏滤器也是有益的。更换分流器的材料是一项需要几个月的复杂任务。此外，一旦重氢-超重氢燃料开始，ITER容器的内部将变得有放射性，并且将变得更难改变内部部件。

桑切斯说:“如果我们使用钨偏滤器，我们可以节省转换成本。我们知道钨偏滤器比较困难，但当容器内部出现需要人工修复的问题时，如果容器内部没有放射性，我们可以更早了解情况。”

另一个设计变化包括在反应容器内插入两个独立的电磁环来微调等离子体。ITER主要控制等离子体的磁铁在容器外面，而且反应比较慢。大约5年前，研究人员强调了操作人员在确保等离子体处于稳定垂直状态时遇到的困难，并提出了在容器内安装一些电磁环的建议。

为了进一步解决垂直稳定性的问题，研究人员建议在容器内安装另一组线圈，以解决聚变等离子体过热引起的异常问题，这也被称为边缘局部模式(ELM)。当等离子体融合产生的能量冲出边缘时，ELM发生。这种不可预测的问题可能会对内层或分流器造成损坏。第二组线圈将形成一个扩大等离子体表面的磁场，确保能量以稳定的速率泄漏，而不是意外爆发。

容器中的所有物体都受到极高的温度、放射性和磁力的作用，因此研究人员必须让STAC相信，这两组线圈有足够的弹性，可以在极端条件下正常工作。

洛亚特说:“由于安装中的技术问题，STAC和ITER对新设计仍有一些内部阻力。”然而，世界各地其他实验室的成功测试已经使研究人员确信新设计是合格的。洛亚特说:“结果非常令人满意。”

STAC也担心ITER零部件的交付。根据原计划，到2020年，即ITER竣工时，所有与供暖系统、仪表和ELM问题缓解装置相关的部件都应到位。但是延迟意味着一些零件不能如期到达。

Loarte说:“我们需要根据组件的到达时间重新制定整体计划。在此之前，我们的计划与组件的到达时间不一致，这引起了一些批评。现在我们必须开始处理组织问题，这并不简单。”(段新伟)(原名ITER设计专业)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年10月24日)