未來能源之路

全人類最終走向主要依賴于聚變能源是一個必然，但我們還要為此等待半個世紀。

1952年11月1日，由美國制造的、人類第一顆氫彈“麥克”在南太平洋的恩尼威托克島上爆炸。氫彈爆炸的威力震驚了全世界——整個島嶼連同幾百米高的鋼架都在巨大的爆炸聲中灰飛煙滅，蘑菇云沖破了地球大氣的對流層和平流層。這次爆炸能量超過1000萬噸烈性炸藥，是廣島爆炸那顆原子彈的700倍。

氫彈爆炸產生的毀滅性能量來自于熱核聚變——即太陽產生能量的方式，它和原子彈爆炸產生能量的核裂變方式剛好相反。半個多世紀過去了，全球再一次將目光投向這種能量產生的方式——但這一次，人們期待的是把這種可怕的爆炸轉化為可以控制的能量，以徹底解決全人類的能源問題。

從第一顆原子彈爆炸到第一座核裂變電站的建立，科學家花了大約10年的時間(1954年，前蘇聯建成世界第一座試驗核電站，1957年，美國建成世界第一座商用壓水堆核電站)；而從第一顆氫彈爆炸到第一座核聚變電站的產生，人類則可能要等待一個世紀。

試驗基地落址法國

對于解決人類的能源問題而言，2005年6月28日是值得紀念的一個日子。這一天，歷經兩年討論的國際熱核聚變實驗堆合作計劃(ITER)的選址問題終于有了答案來自歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和中國的代表在莫斯科達成協議，這個預計將耗資130億美元的實驗性核聚變反應堆，最終決定建造在法國南部的卡達拉什。

這可以說是人類在核聚變反應堆研究道路上邁出的關鍵一步。根據初步討論，歐盟計劃出資40%，法國出資10%，而其余的50%資金由其他5個國家分擔。

從上世紀50年代初美國和前蘇聯開始分別秘密研究可控核聚變技術以來，全世界共建造了上百個實驗裝置，但都與最初的目標相差甚遠。1985年，美國總統里根和前蘇聯總統戈爾巴喬夫在一次首腦會議上倡議，開展一個核聚變研究的國際合作計劃——ITER的概念出爐。幾經波折，歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和中國成了最后的ITER成員國。

“ITER”，拉丁語的意思是“道路”，寓意為尋求人類能源之路。

2003年12月20日，ITER各參與國最初在華盛頓舉行會議，討論核聚變反應堆的選址問題。歐盟、中國和俄羅斯主張把反應堆建在法國的卡達拉什，而美國、韓國和日本則主張建在日本本州島北部的六所村。歐洲研究人員認為，若反應堆建在日本六所村，地震風險太大。日本人則認為，法國的卡達拉什遠離海岸，很難安全地運輸大型設施。法國和日本的各不相讓一度使談判陷入僵局。

進入2005年，歐盟的態度開始變得強硬：他們明確表示，如果不能與日本就選址問題達成一致，歐盟將把日本排除在外，與其他國家共同在法國建設這一項目。此后，原本支持日本的美國和韓國也開始松動。而美國的中立態度最終使日本退出了競爭。

安全、徹底地解決能源問題

與傳統能源及核裂變電站相比，聚變反應堆有幾大優點：安全、無污染、高效。

氫彈爆炸的目睹者說，爆炸的蘑菇云是“撒旦的煙火、世界毀滅前夕的血色輝煌”。原子彈在氫彈面前是小兒科，但核裂變電站發生的事故已經給人類造成不小的威脅。核聚變反應堆是否會成為人類最大一個噩夢？

剛好相反，聚變反應堆其實很安全。

核裂變反應堆之所以危險，是因為它處于一種臨界狀態，這種臨界狀態一旦被打破，投入的鈾燃料超過了臨界值，就有可能發生爆炸。其次，核裂變的原料具有輻射性，泄漏出來也會對周圍人群的健康構成威脅。

而聚變反應堆處于次臨界狀態(離爆炸的臨界線很遠)，很安全。它就像是一個煤氣灶，加入系統的燃料被緩慢燒盡。在任何時候，反應室里的燃料都非常少(大概1000立方米只有1克)，如果燃料供應被阻斷，反應只會持續幾秒鐘。任何設備的故障都將導致反應堆冷卻以及反應的停止。

此外，聚變反應的基本燃料氘和鋰，以及反應的產物氦，都不是放射性的媒介燃料氚具有放射性，但衰變非?？欤a生一種能量非常低的電子。在空氣里，這種電子只能傳播幾毫米，甚至無法穿透一張紙。并且，氚是在反應室內產生的，不會有運輸放射性物質時可能發生的任何問題。

對聚變電站安全性研究得出的結論是，一個聚變反應堆的設計能保證，反應堆內發生任何事故，都無須當地居民進行撤離。

聚變電站幾乎不給環境帶來負面影響。一個100萬千瓦的聚變電站運行一整年將需要大約100克的氘和三噸的自然鋰，能產生大約70億度電，同時并沒有溫室氣體或其他污染排放物。而要發出同樣的電，一個火電廠需要大約150萬噸的燃煤，同時產生400～500萬噸的二氧化碳。

但更重要的是，聚變反應所需要的原料幾乎可以說是無窮無盡的。科學家目前已經可以從海水里面很容易地提取氘和氚，一升海水提取的氘參與聚變釋放的能量相當于300公升汽油燃燒釋放的能量。

兩大難題有待解決

“這一項目必須依賴于國際合作的原因是：其技術過于尖端，任何一個國家獨立完成都難于登天。”中國在該項目的一位不愿透露姓名的學術帶頭人告訴本刊記者。

現在看來，實現熱核聚變發電面臨的所有問題中最困難的有兩個：第一是維持長時間的超高溫很困難；第二是現在還找不到能夠長時間承受極端高溫輻射的材料。

發生熱核聚變，其必要條件是達到1億攝氏度左右的高溫。氫彈爆炸必須依賴于原子彈將它“點燃”——原子彈爆炸的中心溫度超過1億攝氏度。但熱核聚變反應堆顯然不能用這種方法來達到高溫。

現在，科學家普遍研究的是一種叫做“托卡馬克”的裝置，它在物理學上又稱做“磁線圈圓環室”，是一個由封閉磁場組成的“容器”，依靠超導電流產生的強大磁場產生高溫。

在世界上幾個托卡馬克中，3～4億攝氏度的高溫都已經被實現(歐盟、日本和美國)，都比反應堆所需要的溫度高。但麻煩的是，這樣的高溫持續時間都很短。而可控熱核聚變需要持久穩定的高溫。在獲得持久穩定高溫方面，法國人做出了2000萬攝氏度、維持6分鐘的高溫，中國做到了1000多萬攝氏度、持續4分鐘。

歐洲聚變發展聯合組織(EFDA)的負責人杰羅姆·帕米拉(Jerome Pamela)博士告訴本刊記者：“要得到更持久穩定的高溫，目前看來惟一的方案就是增加設施的大小，因為磁旋的質量隨著尺寸的增加而增加?！?/p>

其次是材料問題?！熬圩兎磻行牡闹車加幸幻缀竦摹靥骸采w反應堆的內壁，其作用是吸收中子，把聚變反應釋放的輻射轉化為熱能，然后進一步轉化為電能。我們準備在ITER計劃中測試組成‘地毯’的材料?！迸撩桌┦空f。

接受本刊記者采訪的國內專家表示，研制出這種成熟的抗高溫、抗輻射材料，可能還需要一二十年時間。

還需等待半個世紀

中國在參與ITER的同時，自己也在獨立發展這項技術，獨立進行研究的有中國科學院等離子體物理研究所和西南物理研究院。但中國目前不打算做實驗電站，而計劃在二三十年以后直接做示范電站。

ITER在卡達拉舍進行的研究并不是要建立一個可以投入發電的反應堆，它僅僅是一個實驗。它的目的主要是解決目前面臨的所有困難，其工作全部完成可能需要30年。

“在接下來的20年里，ITER將提供必要的科學和技術知識，來促使一個示范核電站的建立，以證明聚變發電的能力。這將是商用聚變電站出現前的最后一步，我們期望這一步發生在21世紀中期?！迸撩桌虮究浾呓榻B說。

有預測認為，地球上目前剩下的化石能源還能使用50年，這50年恰好是科學家研究核聚變能源民用化所需的時間。而目前已經成熟了的核裂變發電技術，其主要原料鈾在地球上的全部儲量也僅夠維持數百年之用。

“因此，全人類最終走向主要依賴于聚變能源是一個必然。如果聚變反應堆技術不能在傳統能源耗竭之前得到應用，人類將面臨著因為能源枯竭而滅亡的危險?！敝袊茖W院一位主持核聚變反應堆項目的負責人說。

(感謝中國科學院等離子體物理研究所所長李建剛研究員給本文提供幫助)