聚变能源或成一场空梦:终极能源实验遭遇坎坷(图)

　　地基：反应堆将坐落在493 根基柱上，基柱顶端还加盖了钢和橡胶构成的减震器，以保证重达40 万吨的整个结构不受地表震动的影响。

　　世界上最复杂的实验遭遇坎坷，通往终极能源之路何日坦平？

　　撰文 杰夫・布鲁姆菲尔（Geoff Brumfiel） 翻译 庞玮

　　1985年11月，美国“空军一号”抵达日内瓦时，那里的天气阴沉而寒冷。美国总统罗纳德・里根（Ronald Reagan）到此是为了会晤苏联新任领导人米哈伊尔・戈尔巴乔夫（Mikhail Gorbachev）。里根认为，当时世界面临核战浩劫的风险很高，于是想缩减美苏两个超级大国日渐膨胀的军备库，而戈尔巴乔夫同样也意识到军备竞赛正在拖垮苏联的经济。

　　但是，双边会谈很快陷入僵局。里根在苏联历次入侵别国的问题上指责戈尔巴乔夫，而戈尔巴乔夫则抓住星球大战计划，一个试图将所有来袭核弹头拦截在外太空的野心计划，来反击里根。会晤濒于破裂。到清晨5点，双方同意发表一个不包含任何实际承诺的联合声明，在声明的最后，几乎是脚注的位置，里根和戈尔巴乔夫加入了一个含糊不清的保证，即两国将“本着全人类的共同利益”开发一种新能源。

　　上述脚注最终付诸实际，成为一个项目，时至今日，这个项目已经演变成可谓是21世纪人类最宏大的科学活动，一场复杂实验技术的“交响乐”。如果一切顺利的话，它将一劳永逸地解决人类能源危机。这就是ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor），全称“国际热核实验反应堆”，它要在地球上制造出太阳，消耗50兆瓦的能量，却会输出10倍于此、达到500兆瓦的动力，所需要的仅仅是宇宙中最丰富的物质：氢。该项目将着眼于原理论证，希望最终描绘出的技术，能填满人类对能源的无尽索求。各个项目参与国的政治家对推动该项目的热情一直不减。

　　但正如催生出该项目的首脑会谈一样，ITER也不孚众望。预算已经翻倍再翻倍，工程技术上的问题又总是被一再敷衍。一些技术流程也很繁琐，比如参与国不是集中资源一同开发，而是先在各自国家生产零零碎碎的组件，再运到法国南部ITER所在地去组装。整个过程好比一个人先从网上订购一堆螺母、螺栓和支架，然后试图在后院捣鼓出一架波音747客机来。结果自然如冰上行舟，将近一年前ITER还只是地上一个10多米深的大洞，直到最近才刚刚把约100 多万立方米的混凝土填下去。项目投入运行的日期也从2016年推至2018年，再推至2020年底。首次净能量输出实验起码要等到2026年，此时距项目开工已20年。

　　即便如此，ITER还只是这种公认新能源的序幕，就算ITER获得成功，之后还要建造第二代的测试反应堆，只有这些反应堆都运行正常，各地才会建造能够并网发电的核聚变电站。ITER只是第一步，整个计划将为期数十年，甚至上百年。该项目的支持者提出，从长远来看，为了满足世界对能源的持续需求，ITER是我们唯一的希望。但即便是这些支持者，也不得不打消对ITER乌托邦式的期望。目前看起来，该项目只是靠制度惯性维持着，毕竟对各国政府而言，做一个一成不变的参与者总比成为众矢之的的退出者要容易些。另一方面，该项目的每一次延期和预算超支都为批评者提供了更多的攻击靶子，他们形容 ITER是一个浪费钱的怪兽，吃掉了眼下很多其他能源研究项目所急需的经费。两派虽各有坚持，但有一条却是双方的共识，那就是如果最后选择了ITER，它最好成功，千万不要竹篮打水一场空。

　　瓶中烈日

　　理论上，核聚变是最完美的能源。它建立在一个几乎人所共知的物理原理之上：能量等于质量乘以光速的平方。由于光速很大，所以该公式意味着只需要非常小的一点质量就能产生巨大的能量。

　　所有的核反应都基于上面这条宇宙基本法则，在常见的核电站中，比较重的铀原子核分裂成更轻的原子核，在此裂变（fission）过程中，铀原子核有很小一部分质量直接变成能量。聚变（fusion）过程基于同样的原理，但过程刚好与裂变相反，轻原子核比如氢核发生碰撞，产生氦核，而氦核的质量要略小于参与碰撞的氢核质量之和，消失的那部分质量就直接变成了能量。就单位质量而言，聚变燃料可以释放出三倍于铀裂变的能量，更重要的是，氢的贮量要远比铀丰富，而且聚变产生的氦废料没有辐射污染之虞。

　　“ 聚变让人着迷，”为ITER协调奔走多年的韩国科学家李秀景（Gyung-SuLee）说，“它就像中世纪的人们追寻的炼金术一般，它是能源研究的‘圣杯’。”李秀景是聚变能源的积极拥护者。1980年，他来到美国，成为芝加哥大学的一名研究生，专攻量子场论这一物理学中的硬骨头。但是美国改变了他的想法，“在美国，金钱就是一切，”他回忆道，而量子场论只能带来思想上的收获。于是，他开始寻找一个更实用的学习目标，最后选择了聚变，因为“聚变兼具科学和工程上的挑战性”。而且聚变美梦一旦成真，带来的影响也是巨大的，能量会唾手可得、轻贱如土，石油、天然气等化石能源将变得无关紧要，世界将为之转变。

　　像李秀景这样的科学家已经为聚变神魂颠倒了半个世纪。在他之前，已经有很多人都宣称黎明即将来临，其中有些的确是哗众取宠之辈，更多的人不过是犯了一个简单的错误。聚变桀骜难驯，自然一次次斩断了人类的梦想。

　　最主要的困难来自这个“聚”字，因为氢离子会相互排斥，所以科学家必须将它们紧压在一起，产生聚变。ITER的策略是在一个磁场囚笼中加热氢原子，它采用的磁场囚笼形式被称为托卡马克（tokamak），外形就是一个面包圈形的金属环上缠绕着一匝匝线圈。这些线圈用来产生磁场，当由氢离子构成的带电等离子体被加热至数十亿度时，磁场负责将它们紧紧地约束在一起，因为这个温度能气化任何固体材料，只有用磁场来做容器。

　　在20世纪70年代，托卡马克的前途似乎一片光明，有些研究者甚至预言，到20世纪90年代就能建造出聚变核电站来。当时唯一的挑战就是，如何把研究型反应堆放大到实用尺寸，一般而言，托卡马克结构越大，其中的等离子体能达到的温度就越高，核聚变的效率也就越高。

　　然而问题渐起。等离子体内部能传导电流，受自激电流的影响，等离子体会变得弯拱扭曲，形成剧烈的乱流，这些乱流像鞭子一样抽打等离子体，将其甩出磁笼，冲击装置的外壁。于是，随着等离子体温度升高，必须要有更大的托卡马克来提供额外的空间，同时还要有更强的磁场来约束等离子体。这两者都需要增大线圈中的电流，而更大的电流意味着更高的能耗，结果很清楚：托卡马克越大越强，它就需要更多的能量来维持。

　　这种正反馈意味着，普通的托卡马克装置永远也无法输出净能量。对此，包括李秀景在内的研究者只知道一种招架方法：超导，即利用有些导体在很低温度下电阻消失因而没有电能损耗的特性。如果托卡马克的电磁铁使用超导材料，只需注入一次电流，它就会一劳永逸地运转下去。这样能耗虽然降低了，但花费却非常巨大，超导体是一种特殊、昂贵的材料，而且为了维持超导状态，必须用液氦一直冷却它们，使之处于非常接近绝对零度的状态。

　　基于上述原因，早在1985年形势就非常明了，那就是无论苏联还是美国，都无法建造能并网发电的大型托卡马克装置。因此，ITER项目正式开始之初就是一个由美国、苏联、日本和欧洲共同参与的联合项目。整个项目设计非常庞大，用到了当时最先进的技术。除了超导体之外，ITER还通过高级加速器注入中性原子束来加热核心装置，并有一系列复杂的天线像微波炉那样来加热等离子体。ITER没有用普通的氢来充当燃料，而采用了氘和氚，它们是氢的两种同位素，与氢相比它们聚变所需的温度和压力更低。氘在自然界中相对常见，一滴海水中就含有数万亿个氘原子，但有放射性的氚则极为罕见，因而价格不菲。最初估计ITER的建造费用约为 50亿美元，但到了20世纪90年代中期，在对装置的复杂程度进行更为详细的评估之后，预算翻倍了。1998年，主要基于对开支的考虑，美国退出了该项目。
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