幾經挫敗後,ITER計畫仍勢不可擋

  • Physics Today 專文
  • 撰文者:原文:David Kramer 譯者:林祉均
  • 發文日期:2024-01-16
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維修工作可能將耗時兩年,但計畫官員認為可以和組裝同步進行。規範問題仍懸而未決。

ITER 這個國際計畫目標建造一個巨型托卡馬(tokamak,另譯環磁機)來實現燃燒式核融合電漿。該計畫在去年發現有缺陷的元件之前,已經遭遇多年的延宕和成本增加。但計畫官員表示,他們可能要等到2024 年底才能針對時程延遲和成本增加的情況提出估計。

ITER 發言人Laban Coblentz 表示,一些內部估計顯示ITER 投入運行的日期可能會比2016 年提出的時程所預估的2025 年再延遲35 個月。他說,內部也討論過較短的延遲時間估計,但「這些都不是官方或可靠的數字」。項目領導人曾於2020 年首次警告,2025 年的啟動日期是不可實現的。

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圖中可以看到冷卻管線與包圍ITER 九個真空腔段的隔熱層相連。管道和隔熱層之間的焊縫被發現有缺陷,必須重新施工。真空腔段接面處的表面錯位也必須在焊接前被去除。


ITER 組織
Coblentz 堅稱,直到ITER 管理層訂出修正後的時程,且在ITER委員會(即ITER 的治理機構)批准後,才能提供官方估計。Coblentz說:「每個記者和利益相關者都希望對新的預期進度得到一個明確的答案。但評估過程很複雜,最簡單的選項就是選擇性地引用並預先推知
結論。」

在2022 年4 月,人們在長23 公里的管線中發現了一些裂縫,而這些管線負責將冷卻水運輸到位於ITER 的真空腔和周圍的超導環狀磁線圈之間的隔熱層。這些缺陷可以追溯到管線被焊接到隔熱層前未經過妥善的表面處理。大部分隔熱層已經被運送到位於法國南部卡達拉舍(Cadarache)的ITER 場址。迄今已安裝到反應爐中的一個真空腔段已於7 月被拆除,目前正在進行拆解以便對故障元件進行重新加工。

第二個主要缺陷是在2020 年發現由南韓製造的四個真空腔段的焊接表面錯位(見 Physics Today 2022 年5 月,第20 頁)。這些表面必須被平整處理,也就是填充凹陷,磨去突起,然後才能進行焊接。整個甜甜圈狀真空腔的其餘五段目前仍在歐盟進行製造。

Coblentz 表示,針對這兩個缺陷的修復工作於7 月開始,預計需要兩年時間完成。但他和ITER 的科學和運行主管Tim Luce 表示,這些工作可以與機器的組裝同步進行,不一定會進一步延遲項目進度。Luce 表示:「我們不需要所有九段來組裝真空腔。我們只需要前三個。」其他區域在修復的同時可以繼續進行組裝。

延遲的諸多原因
這次還未被量化的延遲大部分得歸因於COVID-19 大流行以及相關的供應鏈問題。Coblentz 表示,許多從未被製造過且耗時多年的元件(例如磁鐵和真空腔段)所帶來的技術困難,也是延遲的一部份原因。

另外有些延遲將來自元件測試以減少未來風險。例如,修訂後的時程要求在完成的低溫工作區內於4K 溫度下測試托卡馬克場的環形場線圈,測試後才能進行安裝。而原本的時程中並未指定此類測試。

Luce 表示,ITER 委員會去年審查並退回的一個時程提議將會在發現製造缺陷的當下立即過時。

原先婉拒採訪的ITER 主任Pietro Barabaschi 在新聞稿中承認,修復的成本「不會很小」。Barabaschi 於去年Bernard Bigot 去世後接任了他的職務。

ITER 的時程表還會受到法國核能安全局(ASN)的影響,該局在2022 年2 月發出的停止組裝命令仍然有效。該機構對ITER 的輻射防護是否完善提出了質疑,並擔心若在包圍反應爐槽的3 米厚混凝土防護層上進一步加蓋將提增加反應爐的質量,超出其支撐系統的負荷。ASN 也對真空腔的焊接表示擔憂。ITER 官員曾希望ASN 會在去年秋天解除其禁令,但ASN 發言人在6 月下旬表示,ITER 尚未對控管問題做出令人滿意的回應。

作為重新設定時程的一部分,ITER 管理層計劃壓縮先前時間表中只使用氘的實驗開始時間。目標是盡可能接近原先的2035 年氚實驗開始的目標日期。Luce 表示,目前的時程要求在建設完成時試驗「首次電漿」,以確保真空腔,磁鐵和其他物理設施零件正常運行。接著暫停兩年時間來安裝其餘的真空腔組件和額外的加熱系統。然後才能開始進行氘實驗。

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ITER 誕生於1985 年美國總統雷根和蘇聯領導人戈巴契夫的高峰會。在多年的設計工作和選址協商之後,法國的一個地點雀屏中選並於2010 年開工。官員承認,原本計劃在2025 年完成,但新的時間表要到明年才能知道。(所有圖片均由ITER 組織提供。)

計畫官員已決定放棄用鈹覆蓋真空腔壁的計劃。雖然工作人員暴露於有毒金屬的危害的確是促使計畫改用鎢元素的助力之一,但Luce表示變更設計主要是為了提升ITER 在未來成為商用核融合電廠的能耐。鎢元素估計更能抵禦高能核融合中子的不斷轟炸。

成本是個謎
作為地主ITER 成員國, 歐盟貢獻了ITER 成本的45%。其他ITER 合作夥伴(包括中國、印度、日本、俄羅斯、韓國和美國)各自貢獻9%。由於這七個成員國分別對勞動力,材料和其他開銷的貢獻各有不同(主要花費在建造反應爐組件),因此該計畫的確切成本可能永遠成謎。事實上,ITER 有自己的貨幣,稱為ITER 會計單位(ITER Units of Account)。

然而,受到眾議院的科學,太空和技術委員會的要求,Bigot 在2017 年估計,到2035 年氚實驗開始時,ITER 的成本將總計達250 億美元。但同年,歐盟估計光是其自身對該計畫的花費將在2035 年前達到181 億歐元(196 億美元)。以此外推,如果整個計畫都將在歐盟中進行,則該期間的ITER 總成本將為410 億歐元。美國能源部在2018 年估計,如果所有工作都在美國進行,ITER 的成本將為650 億美元。這不包括2025 年至2035 年的委託和初步實驗期間的運作開銷。美國能源部的估算經常包含大量的應急預算;ITER 的預算則不是如此。(見 Physics Today 線上版,2018 年4 月16日,ITER disputes DOE’s cost estimate of fusion project

在6 月13 日的聽證會上,ITER 計畫的最新挫敗被科學委員會的眾議員們輕輕帶過。位於奧克里奇國家實驗室的ITER 計畫美國辦公室主任Kathryn McCarthy 在其證詞中提到了進行修復的必要,但當時在場的眾議員中沒有人追問該主題。McCarthy 也提到,出問題的零件不是在美國製造的。

前眾議員Jerry McNerney(民主黨-加州)參觀了ITER 之後掀起了一陣騷動,他告訴科學委員會中的同僚:他被告知有缺陷的零件可能會「終結計畫」。與McNerney 會面的Luce 表示,那是一個誤解:計畫官員告訴McNerney,如果在反應爐組裝完成之前沒有發現缺陷,修復隔熱層將非常困難。

還未有人呼籲放棄ITER 計畫,至少不是在公開場合。Luce 表示,他沒有看到任何合作夥伴放棄的跡象,「事實上最近出現了一些好徵兆。」其中之一是美國和印度最近支付了他們的欠款。

六月在卡達拉舍(Cadarache)舉行的ITER 委員會半年度會議上,一份公報提到成員國「重申了他們對ITER 使命價值的堅定信念,並決定共同努力找到及時的解決方案,以促進ITER 的成功。」

即使是長期以來一直對托卡馬克持批評態度的美國能源部核融合計劃前負責人Robert Hirsch 也認為ITER 應該繼續進行。他說:「這毫無疑問的將會帶來好處。」但由於其複雜性,Hirsch 預測托卡馬克永遠不會成為一種商業上可行的能源來源。他說:「ITER 從來就不該發生。儘管如此,它正在發生,就我看來,從實際面來說,人們不能就這樣放棄它。」

Coblentz 表示,ITER 已經幫助啟發了私營部門的核融合公司。他說:「我們正在證明,核融合能源所需的這些巨大且精密的零件可以在工業規模建造,而且我們正在過程中發展所需的新技術。」

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參考資料:
[1] D. Kramer, Physics Today 75(5), 20(2022). https://doi.org/10.1063/PT.3.4997
[2] D. Kramer, “ITER disputes DOE’s cost estimate of fusion project,” Phys. Today, 16 April 2018. https://doi.org/10.1063/PT.6.2.20180416a


本文感謝Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Aug. 2023 雜誌內(Physics Today 76, 8, 18-22(2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5287)。原文作者:David Kramer。中文編譯:林祉均,國立清華大學物理所研究生。

Physics Bimonthly(The Physics Society of Taiwan)appreciates Physics Today(American Institute of Physics)authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by David Kramer and was published in(Physics Today 76, 8, 18-22(2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5287).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin(National Tsing Hua University)