國際熱核聚變實驗堆(ITER) 計畫在永續能源領域取得突破，完成了世界上最大的超導磁鐵系統的組件，該系統旨在限制過熱等離子體並產生比其消耗多十倍的能量。這個由30多個國家合作建成的託卡馬克“電磁心臟”，是科學和外交領域的雙線勝利。

ITER託卡馬克示意圖。圖片來源：ITER組織

國際熱核融合實驗堆(ITER) 計畫向清潔能源邁出了一大步，已建成世界上最大、最強大的脈衝超導磁體系統，旨在幫助釋放與太陽能相同的能源。

ITER（發音為「eater」）是30 多個國家之間的大規模合作，旨在共同努力證明聚變能可以成為地球安全、無限且無碳的動力來源。

最終的拼圖是一塊巨大的中央螺線管磁鐵，它在美國製造並測試，其強度足以舉起一艘航空母艦。一旦安裝在法國南部的ITER設施中，它將作為聚變反應器的動力來源，與來自俄羅斯、歐洲和中國的六塊巨型環形磁鐵協同工作。

整個磁鐵系統總重近3000噸，構成了ITER託卡馬克裝置的電磁核心。託卡馬克裝置是一個未來主義的甜甜圈形狀的反應堆，旨在在地球上複製恆星的能量。

在ITER建造現場的託卡馬克坑內，安裝第一塊超導磁鐵－極向場線圈6號。真空容器組裝完成後，中央螺線管將安裝在中心位置。圖片來源：ITER

這種脈衝超導電磁系統是如何運作的？

步驟1. 將幾克氫燃料（氘和氚氣）注入ITER 巨大的託卡馬克腔室。

第2 步。脈衝磁鐵系統發送電流使氫氣電離，形成等離子體，即帶電粒子雲。

步驟3. 磁鐵創造一個“隱形籠子”，限制和塑造電離等離子體。

步驟4.外部加熱系統將等離子體溫度升高到攝氏1.5億度，比太陽核心溫度高出十倍。

第五步，在這個溫度下，等離子體粒子的原子核結合、融合，釋放出大量的熱能。

中央螺線管的第六個模組於2025年4月在通用原子公司完成。中央螺線管與其他五個已完成的模組組合後，將構成ITER託卡馬克和脈衝磁鐵系統的核心。圖片來源：通用原子公司/ITER

ITER 預計全面投入運作後，僅需50 兆瓦的輸入加熱功率即可產生500 兆瓦的聚變功率，效率提升十倍。在這種效率水平下，聚變反應基本上自熱，形成「燃燒等離子體」。

透過整合工業規模核融合所需的所有系統，ITER 為其30 多個成員國提供了一個龐大而複雜的研究實驗室，提供優化商業核融合所需的知識和數據。

ITER是由30多個國家組成的國際合作項目，旨在驗證聚變——太陽和恆星的能量——作為地球豐富、安全、無碳能源的可行性。圖片來源：ITER

全球團結的象徵

ITER的地緣政治成就同樣令人矚目：ITER的七個成員國——中國、歐洲、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國——持續合作。數千名科學家和工程師從三大洲數百家工廠貢獻零件，共同建造了這台機器。

ITER 總幹事皮埃特羅·巴拉巴西奇表示：“ITER 的獨特之處不僅在於其技術的複雜性，還在於其在不斷變化的政治格局中得以維持的國際合作框架。”

“這一成就證明，當人類面臨氣候變遷和能源安全等生存挑戰時，我們可以克服國家差異，推動解決方案的實施。”

ITER專案是希望的展現。透過ITER項目，我們向世人展示了永續能源的未來和和平發展道路的可行性。

策略性知識移轉計劃

2024年，ITER專案100%完成了建造目標。隨著大部分主要部件的交付，ITER託卡馬克裝置目前正處於組裝階段。 2025年4月，第一個真空室扇區模組被裝入託卡馬克裝置基座，比原計劃提前了約三週。

將合作擴展到私營部門

過去五年，私部門對聚變能研發的投資激增。 2023年11月，ITER理事會認識到了這一趨勢所帶來的價值和機會。

他們鼓勵ITER組織及其國內機構積極與私營部門合作，轉移ITER累積的知識，以加速實現核融合的進程。

2024年，ITER啟動了一項私營部門聚變參與項目，該項目提供了多種管道，用於共享知識、文獻、數據和專業知識，並開展研發合作。這項技術轉移計畫包括分享ITER全球聚變供應鏈的訊息，這是回饋成員國政府及其企業的另一種方式。

2025年4月，ITER將舉辦一次公私合作研討會，共同探討解決核融合剩餘挑戰的最佳技術創新。

正在法國南部建造的ITER實驗裝置。託卡馬克裝置建築位於中心，其結構與實驗裝置呈鏡像關係。圖片由ITER組織/EJF Riche提供。

成員國的協調貢獻

根據《ITER協議》，成員國以建造和供應部件的形式承擔ITER建設的大部分成本。這意味著每個成員國的融資主要用於其自身公司，用於生產ITER極具挑戰性的技術。在此過程中，這些公司也推動了創新並累積了專業知識，從而建立了全球聚變供應鏈。

歐洲作為東道主成員國，承擔ITER託卡馬克及其支持系統45%的建造成本。中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國各承擔9%，但所有成員國均可獲得100%的智慧財產權。

美國

美國建造了中央螺線管，它由六個模組和一個備用模組組成。

美國也向ITER計畫交付了「外骨骼」支撐結構，該結構將使中央螺線管能夠承受其產生的極端力量。此外骨骼由9000多個獨立零件組成，由8家美國供應商製造。

此外，美國也製造了ITER環形場磁體中使用的約8%的鈮錫（Nb3Sn）超導體。

俄羅斯

俄羅斯已經交付了直徑9 公尺的環形極向場磁體，它將位於ITER 託卡馬克的頂部。

俄羅斯也與歐洲密切合作，生產了約120 噸鈮鈦(NbTi) 超導體，約佔ITER 極向場磁體所需總量的40%。

此外，俄羅斯也為ITER 的環形場磁體生產了約20% 的鈮錫(Nb3Sn) 超導體。

俄羅斯也製造了巨型母線，為磁鐵提供所需電壓和電流，以及ITER 真空容器部分的上部連接埠插頭。

歐洲

歐洲已在法國現場製造了四塊環形極向場磁鐵，直徑從17公尺到24公尺不等。

歐洲與俄羅斯密切合作，製造用於PF 磁體1 和6 的鈮鈦(NbTi) 超導體。

歐洲也交付了10 個ITER 環形場磁體，並生產了這些TF 磁體中使用的大量鈮錫(Nb3Sn) 超導體。

歐洲正在建造託卡馬克真空容器九個部分中的五個部分，託卡馬克真空容器是一個環形腔室，將在其中進行聚變。

中國

中國根據與歐洲的協議，製造了一塊10公尺長的極向場磁鐵。它已經安裝在部分組裝的ITER託卡馬克裝置底部。

中國也為PF 磁鐵2、3、4 和5 貢獻了鈮鈦(NbTi) 超導體，約佔PF 磁鐵總量的65%，加上環向場磁鐵超導體的約8%。

此外，中國也貢獻了18個超導校正線圈磁鐵，放置在託卡馬克周圍，以微調等離子體反應。

中國已交付了31 台磁鐵進料器，這些多車道高速公路將為ITER 的電磁鐵提供電力，並提供液態氦將磁鐵冷卻至攝氏-269 度，即超導所需的溫度。

日本

日本已經生產並向美國發送了用於製造中央螺線管模組的43 公里鈮錫(Nb3Sn) 超導線。

日本也生產了18 個環形場(TF) 磁鐵中的8 個，外加一個備用磁鐵，以及TF 磁鐵的所有外殼結構。

日本也生產了用於環形場磁體的25% 的鈮錫(Nb3Sn) 超導體。

韓國

韓國已經生產出用於預組裝ITER 最大部件的工具，使ITER 能夠以毫米級精度將環形場線圈和熱屏蔽安裝到真空容器扇區中。

韓國也生產了20% 的環形場磁鐵所用的鈮錫(Nb3Sn) 超導體。

此外，韓國還製造了熱屏蔽，為超熱聚變等離子體和超冷磁鐵之間提供物理屏障。

韓國已交付託卡馬克真空室九個組件中的四個。

印度

印度製造了ITER 低溫恆溫器，這是一個高30 公尺、直徑30 公尺的恆溫器，可容納整個ITER 託卡馬克裝置。

印度也提供了輸送液氦來冷卻ITER 磁鐵的低溫管線。

此外，印度也負責提供ITER的冷卻水系統、託卡馬克的內壁屏蔽以及外部等離子體加熱系統的多個部分。

ITER磁鐵系統總計將包含1萬噸超導磁體，總儲磁能達51吉焦耳。製造這些磁鐵的原料包括超過10萬公里的超導線材，由6個國家的9家工廠生產。

ITER 各磁鐵系統的技術規格為何？

中央螺線管（圓柱形磁鐵）

高度：18 公尺（59 英尺）

直徑：4.25 公尺（14 英尺）

重量：~1000 噸

磁場強度：13 特斯拉（比地球磁場強280000 倍）

儲存的磁能：6.4 千兆焦耳

將啟動並維持15 MA 的等離子電流，持續300-500 秒脈衝

美國製造

材料：日本生產的鈮錫（Nb₃Sn）超導股線

冷卻：在4.5 開爾文（-269°C）下運行，使用液態氦低溫技術保持超導性

結構（外骨骼）：可承受100 MN（兆牛頓）的力- 相當於太空梭發射推力的兩倍。

極向場磁鐵（環形磁鐵）

直徑：範圍從9 公尺（PF1）到10 公尺（PF6），到17 公尺（PF2、PF5），到25 公尺（PF3、PF4）

重量：從160 噸到400 噸

在俄羅斯、歐洲（法國）和中國製造

材料：鈮鈦（NbTi）超導股線，產自歐洲、中國和俄羅斯

冷卻：在4.5 開爾文（-269°C）下運行，使用液態氦低溫技術保持超導性

環形場線圈（D 形磁鐵，2023 年底完成）

每個線圈：高17 米× 寬9 米

重量：每個約360 噸

製造於歐洲（義大利）和日本

材料：鈮錫（Nb3Sn）超導股線，產自歐洲、韓國、俄羅斯和美國

冷卻：在4.5 開爾文（-269°C）下運行，使用液態氦保持超導性

校正線圈和磁鐵送料器

校正線圈：中國製造；對等離子體穩定性的精細調整至關重要。

磁體進料器：向磁體輸送低溫、電力和儀表訊號；也是中國製造。

編譯自/ ScitechDaily