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標題: 聚變能源或成一場空夢：終極能源實驗遭遇坎坷 [打印本頁]

作者: swdefr66 時間: 2012-10-10 08:45 AM 標題: 聚變能源或成一場空夢：終極能源實驗遭遇坎坷

本帖最後由 swdefr66 於 2012-10-10 08:46 AM 編輯

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地基：反應堆將坐落在493 根基柱上，基柱頂端還加蓋了鋼和橡膠構成的減震器，以保証重達40 萬噸的整個結構不受地表震動的影響。

　　世界上最複雜的實驗遭遇坎坷，通往終極能源之路何日坦平？

　　撰文傑夫‧布魯姆菲爾(Geoff Brumfiel) 翻譯龐瑋
　　1985年11月，美國「空軍一號」抵達日內瓦時，那裡的天氣陰沉而寒冷。美國總統羅納德‧里根(Ronald Reagan)到此是為了會晤蘇聯新任領導人米哈伊爾‧戈爾巴喬夫(Mikhail Gorbachev)。里根認為，當時世界面臨核戰浩劫的風險很高，於是想縮減美蘇兩個超級大國日漸膨脹的軍備庫，而戈爾巴喬夫同樣也意識到軍備競賽正在拖垮蘇聯的經濟。
　　但是，雙邊會談很快陷入殭局。里根在蘇聯歷次入侵別國的問題上指責戈爾巴喬夫，而戈爾巴喬夫則抓住星球大戰計劃，一個試圖將所有來襲核彈頭攔截在外太空的野心計劃，來反擊里根。會晤瀕於破裂。到清晨5點，雙方同意發表一個不包含任何實際承諾的聯合聲明，在聲明的最後，幾乎是腳註的位置，里根和戈爾巴喬夫加入了一個含糊不清的保証，即兩國將「本著全人類的共同利益」開發一種新能源。
　　上述腳註最終付諸實際，成為一個項目，時至今日，這個項目已經演變成可謂是21世紀人類最宏大的科學活動，一場複雜實驗技術的「交響樂」。如果一切順利的話，它將一勞永逸地解決人類能源危機。這就是ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)，全稱「國際熱核實驗反應堆」，它要在地球上製造出太陽，消耗50兆瓦的能量，卻會輸出10倍於此、達到500兆瓦的動力，所需要的僅僅是宇宙中最豐富的物質：氫。該項目將著眼於原理論証，希望最終描繪出的技術，能填滿人類對能源的無盡索求。各個項目參與國的政治家對推動該項目的熱情一直不減。
　　但正如催生出該項目的首腦會談一樣，ITER也不孚眾望。預算已經翻倍再翻倍，工程技術上的問題又總是被一再敷衍。一些技術流程也很繁瑣，比如參與國不是集中資源一同開發，而是先在各自國家生產零零碎碎的組件，再運到法國南部ITER所在地去組裝。整個過程好比一個人先從網上訂購一堆螺母、螺栓和支架，然後試圖在後院搗鼓出一架波音747客機來。結果自然如冰上行舟，將近一年前ITER還只是地上一個10多米深的大洞，直到最近才剛剛把約100多萬立方米的混凝土填下去。項目投入運行的日期也從2016年推至2018年，再推至2020年底。首次淨能量輸出實驗起碼要等到2026年，此時距項目開工已20年。
　　即便如此，ITER還只是這種公認新能源的序幕，就算ITER獲得成功，之後還要建造第二代的測試反應堆，只有這些反應堆都運行正常，各地才會建造能夠並網發電的核聚變電站。ITER只是第一步，整個計劃將為期數十年，甚至上百年。該項目的支援者提出，從長遠來看，為了滿足世界對能源的持續需求，ITER是我們唯一的希望。但即便是這些支援者，也不得不打消對ITER烏托邦式的期望。目前看起來，該項目只是靠制度慣性維持著，畢竟對各國政府而言，做一個一成不變的參與者總比成為眾矢之的的退出者要容易些。另一方面，該項目的每一次延期和預算超支都為批評者提供了更多的攻擊靶子，他們形容ITER是一個浪費錢的怪獸，吃掉了眼下很多其他能源研究項目所急需的經費。兩派雖各有堅持，但有一條卻是雙方的共識，那就是如果最後選擇了ITER，它最好成功，千萬不要竹籃打水一場空。
　　瓶中烈日
　　理論上，核聚變是最完美的能源。它建立在一個幾乎人所共知的物理原理之上：能量等於質量乘以光速的平方。由於光速很大，所以該公式意味著只需要非常小的一點質量就能產生巨大的能量。
　　所有的核反應都基於上面這條宇宙基本法則，在常見的核電站中，比較重的鈾原子核分裂成更輕的原子核，在此裂變(fission)過程中，鈾原子核有很小一部分質量直接變成能量。聚變(fusion)過程基於同樣的原理，但過程剛好與裂變相反，輕原子核比如氫核發生碰撞，產生氦核，而氦核的質量要略小於參與碰撞的氫核質量之和，消失的那部分質量就直接變成了能量。就單位質量而言，聚變燃料可以釋放出三倍於鈾裂變的能量，更重要的是，氫的貯量要遠比鈾豐富，而且聚變產生的氦廢料沒有輻射污染之虞。
　　「聚變讓人著迷，」為ITER協調奔走多年的韓國科學家李秀景(Gyung-SuLee)說，「它就像中世紀的人們追尋的煉金術一般，它是能源研究的‘聖盃’。」李秀景是聚變能源的積極擁護者。1980年，他來到美國，成為芝加哥大學的一名研究生，專攻量子場論這一物理學中的硬骨頭。但是美國改變了他的想法，「在美國，金錢就是一切，」他回憶道，而量子場論只能帶來思想上的收穫。於是，他開始尋找一個更實用的學習目標，最後選擇了聚變，因為「聚變兼具科學和工程上的挑戰性」。而且聚變美夢一旦成真，帶來的影響也是巨大的，能量會唾手可得、輕賤如土，石油、天然氣等化石能源將變得無關緊要，世界將為之轉變。
　　像李秀景這樣的科學家已經為聚變神魂顛倒了半個世紀。在他之前，已經有很多人都宣稱黎明即將來臨，其中有些的確是譁眾取寵之輩，更多的人不過是犯了一個簡單的錯誤。聚變桀驁難馴，自然一次次斬斷了人類的夢想。
　　最主要的困難來自這個「聚」字，因為氫離子會相互排斥，所以科學家必須將它們緊壓在一起，產生聚變。ITER的策略是在一個磁場囚籠中加熱氫原子，它採用的磁場囚籠形式被稱為托卡馬克(tokamak)，外形就是一個麵包圈形的金屬環上纏繞著一匝匝線圈。這些線圈用來產生磁場，當由氫離子構成的帶電等離子體被加熱至數十億度時，磁場負責將它們緊緊地約束在一起，因為這個溫度能氣化任何固體材料，只有用磁場來做容器。
　　在20世紀70年代，托卡馬克的前途似乎一片光明，有些研究者甚至預言，到20世紀90年代就能建造出聚變核電站來。當時唯一的挑戰就是，如何把研究型反應堆放大到實用尺寸，一般而言，托卡馬克結構越大，其中的等離子體能達到的溫度就越高，核聚變的效率也就越高。
　　然而問題漸起。等離子體內部能傳導電流，受自激電流的影響，等離子體會變得彎拱扭曲，形成劇烈的亂流，這些亂流像鞭子一樣抽打等離子體，將其甩出磁籠，衝擊裝置的外壁。於是，隨著等離子體溫度升高，必須要有更大的托卡馬克來提供額外的空間，同時還要有更強的磁場來約束等離子體。這兩者都需要增大線圈中的電流，而更大的電流意味著更高的能耗，結果很清楚：托卡馬克越大越強，它就需要更多的能量來維持。
　　這種正反饋意味著，普通的托卡馬克裝置永遠也無法輸出淨能量。對此，包括李秀景在內的研究者只知道一種招架方法：超導，即利用有些導體在很低溫度下電阻消失因而沒有電能損耗的特性。如果托卡馬克的電磁鐵使用超導材料，只需注入一次電流，它就會一勞永逸地運轉下去。這樣能耗雖然降低了，但花費卻非常巨大，超導體是一種特殊、昂貴的材料，而且為了維持超導狀態，必須用液氦一直冷卻它們，使之處於非常接近絕對零度的狀態。
　　基於上述原因，早在1985年形勢就非常明了，那就是無論蘇聯還是美國，都無法建造能並網發電的大型托卡馬克裝置。因此，ITER項目正式開始之初就是一個由美國、蘇聯、日本和
　　歐洲共同參與的聯合項目。整個項目設計非常龐大，用到了當時最先進的技術。除了超導體之外，ITER還通過高級加速器注入中性原子束來加熱核心裝置，並有一系列複雜的天線像微波爐那樣來加熱等離子體。ITER沒有用普通的氫來充當燃料，而採用了氘和氚，它們是氫的兩種同位素，與氫相比它們聚變所需的溫度和壓力更低。氘在自然界中相對常見，一滴海水中就含有數萬億個氘原子，但有放射性的氚則極為罕見，因而價格不菲。最初估計ITER的建造費用約為50億美元，但到了20世紀90年代中期，在對裝置的複雜程度進行更為詳細的評估之後，預算翻倍了。1998年，主要基於對開支的考慮，美國退出了該項目。
　　就在美國退出後不久，一個受命拯救該項目的小組匆匆忙忙對其進行了重新設計，將裝置尺寸和預算都縮減到了原來的一半。不幸的是，「由於太趕時間，重新設計時在考慮上有所欠缺，」ITER的資深科學家，同時也是最初那個設計小組的成員京特‧ 詹施茨(Gunther Janeschitz)說。參與國都在爭搶裝置中大部件的設計建造任務，而像引線、連接件這樣的小東西卻無人問津。詹施茨舉了個例子，「在兩個部件之間本來應該有連接孔的，但沒有哪份採購標書具體指出了這一點」
　　這些溝通上的鴻溝正是ITER的苦難之源，因為ITER組織本身並不負責該裝置的實際製造。先期參與國如俄羅斯和日本，希望自己的投入能為本國相關實驗室的科學家所用，而印度這樣的新加入國，則想學習新的高端技術，發展自己的工業。因此，成員國提供的都是製作完成的部件(附帶提供一小筆經費給統籌機構)，電磁鐵所用的超導線纜來自日本東芝公司，但同時中國西部超導材料科技有限公司和俄羅斯葉夫列莫夫電物理設備研究院也提此類線纜；裝置所用的巨大真空室將在歐洲、印度、韓國和俄羅斯建造；加熱系統則來自歐洲、日本和美國──美國於2003年重新加入了ITER項目。ITER的統籌機構需要接收來自上述國家和地區的這些部件，補齊尚缺少的部件，然後把所有東西拼裝成迄今為止最複雜的實驗裝置。
　　與ITER臨時總部相隔一條雙車道高速公路就是郎司河(Durance River)，河邊有一座中世紀的城堡可以俯覽流水。在這座城堡中，清楚地展現出ITER所面臨的挑戰：ITER的成員聚集於此，擠在一間特意建造的會議室中，周圍佈滿了液晶顯示屏和麥克風，正在召開的是一次協調會，而與會者無意讓我這個記者參與其中。不過在中場休息時，李秀景向我透露了會議室中上演的一場小紛爭。「印度人認為一條管道應該在這裏截止，而其他人則認為該在那裡截止，」他邊說邊從桌上拿起一小條巧克力棒，朝著房間的另一端指了指，「最簡單的解決方案是在中間截止，但技術上做不到，於是我們要把這個問題交由總幹事裁決。」
　　截止到2010年，ITER的總幹事都是由一個讓人昏昏欲睡的日本外交官池田要(Kaname Ikeda)擔任。由於處理此類管道之爭乏力，池田在ITER委員會的壓力下被迫辭職，由日本核聚變科學家本島修(Osamu Motojima)接任，後者是ITER的資深人員，在平和的外表之下有著堅毅、果決的性格。來自歐洲和美國子項目的一些資深人員則充任本島的副手，最終他們與印度人在緊挨著會議室的一個改建而成的套間里達成了協議。就在這些人爭論不休時，當時還是ITER首席法律顧問的哈里‧圖伊德(Harry Tuinde，之後他就離開了ITER去為歐洲議會工作了)坐在院子裡抽著雪茄。我問他，如果本島有權力要求各參與國提供指定部件，事情會不會順利很多？圖伊德往椅背上一靠，「那基本上就把你竭力要維持的關係都弄糟了」。歸根結底，維繫這個項目的不是ITER總幹事的權威，而是成員參與的意願。
　　通向能源之路
　　就在溝通磕磕絆絆地進行之時，ITER的經費預算已經再次加倍，達到200億美元，這隻是明面上的金額，由於採用了散件組裝的方式來建造，實際建造費用很難統計。項目的完成日期也再次向後推遲了幾年。
　　不斷攀升的成本和日複一日的拖延，讓反對巨型托卡馬克方案的呼聲日漸高漲，尤其是負擔了45%建造費用的歐洲。「要是我們真的想把這筆錢用來拯救地球氣候、擺脫能源危機的話，選擇ITER這個項目顯然就是個笑話，」歐洲議會綠黨的能源顧問米歇爾‧ 拉凱(MichelRaquet)如是說。歐盟目前正考慮給ITER一筆約為27億歐元的經費，好讓這個項目能按預期在2020年之前完成建造。作為ITER在歐洲最主要的反對者，綠黨擔心這將讓風能、太陽能等可再生能源喪失很多研究機會。
　　美國只負擔整個費用的9%，所以反對的聲音較弱。用托馬斯‧ 科克倫(Thomas Cochran)的話來說，ITER「不構成一種威脅，只是浪費錢財而已」，身為美國自然資源保護委員會旗下的一名反核鬥士，科克倫更願意把精力放在反對那些會帶來長期污染，或能加速核武器製造技術傳播的核研究計劃上。美國國會對ITER的態度似有不同，作為積極鼓動核聚變研究的美國聚變能源協會的會長，史蒂芬‧迪安(Stephen Dean)認為，「只能說目前沒有要中止這個項目的跡象」。但事無一定，今年，美國總統奧巴馬在縮減美國國內核聚變研究經費的同時，大幅增加了對ITER的投入，但即便這筆經費如期到位，也只有15億美元，還不到美國應承擔的設計預算的25%。其他國家在履行對ITER的承諾時，也碰到了一些麻煩。印度正費力地推銷著手中的合同，而去年3月，大地震破壞了日本的一些關鍵工廠。俄羅斯駐ITER代表弗拉基米爾‧ 弗拉先科夫(Vladimir Vlasenkov)形容目前的情況是，「每個國家都有自己拖延的理由」，說完他立馬加上一句，「俄羅斯那邊一切正常」。
　　ITER能檢驗核聚變是否可行，但它不能証明核聚變是否能商業化運行。反過來，我們倒有很多理由說明後者不可行，最簡單的理由就是聚變過程中的輻射強度非常高，能損壞象鋼這樣的普通物質，因此核聚變電站需要採用一些目前還沒有的新材料，才能抵擋等離子體長達數年的轟擊，不然反應堆就需要經常停機檢修。再者，燃料氚的來源也成問題，發電站必須自行製備，比如利用反應堆本身的核反應過程來製造氚。
　　有人認為，建造一台基於ITER技術的反應堆，最大的障礙在於該裝置極端的複雜性。那些特殊的加熱系統和自製部件可能在實驗中運行良好，但作為電站需要的是簡單、易維護，國原子能管理局總裁史蒂夫‧ 考利(Steve Cowley)說，「無法想像一台到處叮叮光光的機器怎麼能日複一日穩定工作」。因此，在並網發電之前，還必須建造第二代的驗証性反應堆──不用說，同樣造價不菲。考慮到目前ITER跌跌撞撞的前進腳步，在本世紀中葉之前，什麼也運行不起來。
　　儘管核聚變能源整體發展存在著這些阻礙和不確定因素，但熟悉ITER的人都認為，該項目勢在必行，競爭壓力是原因之一。「法國看到美國參加，他也肯定要參加；美國不退出，他也不會退出，」科克倫解釋道。從律師的角度來看，圖伊德認為，如果各個參與國提前退出，可能導致在未來無法獲得一些新技術，這也將促使該項目繼續運行。
　　即使拋開這些冠冕堂皇的理由不談，很多科學家內心裡都覺核聚變是滿足世界能源需求的唯一希望。美國重返ITER時，雷蒙德‧ 奧巴赫(Raymond Orbach)剛好是美國能源部的首席科學家，他說自己「對世界未來的能源需求感到驚恐，到時候從哪弄這麼多能源？核聚變不會釋放二氧化碳，基本上取之不竭，不會對環境造成影響，你還能找到第二個麼？」大多數核聚變科學家都認為，全球氣候劇變不可避免，等到時過境遷，人類終嘗苦果之日，「我們最好已經準備好了應變之策」，這是考利的告誡。秉持此念，終將得償所願，因為我們已背水一戰。

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