造顆太陽當(dāng)能源

七貓

如果一切順利的，人類歷史上最復(fù)雜的機(jī)器會(huì)在幾年之內(nèi)啟動(dòng)。這個(gè)名叫國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，簡(jiǎn)稱ITER）的機(jī)器將給人類提供取之不竭的能源。

ITER坐落在法國南部阿爾卑斯森林里，等全部建成以后，它該有100英尺高，重達(dá)23000噸，相當(dāng)于埃菲爾鐵塔的兩倍重量。在它的核心部位，高精尖儀器密集有序地排列組合，開動(dòng)的時(shí)候，這里能產(chǎn)生一團(tuán)熾熱的氘氣，以超音速的速度旋轉(zhuǎn)。最終這團(tuán)氘氣將成為等離子體，而它的溫度也將達(dá)到20億攝氏度，是太陽核心溫度的10倍。

由于高溫的緣故，電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，為核子的碰撞準(zhǔn)備了條件。當(dāng)?shù)入x子體的溫度達(dá)到幾千萬攝氏度甚至幾億度時(shí)，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同時(shí)還有足夠的密度和足夠長(zhǎng)的熱能約束時(shí)間，這種聚變反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)進(jìn)行。

整個(gè)過程，實(shí)際上就是在模擬太陽的核聚變。人類掌握核聚變技術(shù)已經(jīng)有幾十年了，但如何控制聚變過程卻是一道難題。聚變中將產(chǎn)生大量的熱量、迦馬射線、X光和向四面八方逃逸出來的中子。地球上沒有任何物質(zhì)材料能鎖住它們，所以ITER將會(huì)用世界上最大的超導(dǎo)裝置維持著約束磁場(chǎng)，讓它們無處逃匿。熱能和其他副產(chǎn)品將全部被困在約束磁場(chǎng)中，所以在反應(yīng)堆核心外不到一米的地方，溫度就會(huì)降低到零下269度，幾乎跟宇宙深度的溫度一致。

如果成功的話，ITER會(huì)在500秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大約5億瓦的核聚變能量。盡管ITER產(chǎn)生的能量不會(huì)直接轉(zhuǎn)換成電力，但它的成功會(huì)幫助人類造出商用反應(yīng)堆，而這會(huì)徹底改變地球的能源情況。

七巨頭博弈

ITER的構(gòu)想最早提出于1985年。在當(dāng)年的日內(nèi)瓦峰會(huì)上，美國總統(tǒng)里根和蘇聯(lián)主席戈?duì)柊蛦谭蛲夂献鳎罢业揭环N取之不盡用之不竭的能源，以造福全人類”。

最初，ITER計(jì)劃僅確定由美國、俄羅斯、歐盟和日本四方參加，獨(dú)立于聯(lián)合國原子能委員會(huì)（IAEA）之外，總部分設(shè)美、日、歐三處。那個(gè)時(shí)候ITER還沒有正式的組織，各方面條件都很不成熟。1994年，美國國內(nèi)率先對(duì)ITER發(fā)起了質(zhì)疑，認(rèn)為這個(gè)需要花費(fèi)上百億美元的計(jì)劃很難成功，而且就算成功了，在短期內(nèi)也無法取得回報(bào)。1999年，美國退出了ITER計(jì)劃。

歐日俄三方繼續(xù)合作，并在2001年完成了ITER裝置新的工程設(shè)計(jì)（EDA）及主要部件的研制，預(yù)計(jì)建造費(fèi)用為50億美元（1998年價(jià)），建造期8至10年，運(yùn)行期20年。三方分別組織了獨(dú)立的審查，都認(rèn)為設(shè)計(jì)合理，基本上可以接受。隨后，美國在一大批國內(nèi)學(xué)者的呼聲下重新加入，中國、韓國和印度也加入了進(jìn)來。最終七個(gè)成員國政府于2006年5月25日草簽了建設(shè)ITER的國際協(xié)定。

在ITER的字典里，這些成員國都是它下屬的機(jī)構(gòu)。與其他的科研合作不同，ITER不由任何一個(gè)國家全權(quán)負(fù)責(zé)，也沒有國家把控中央預(yù)算。每一個(gè)國家都需要完成ITER的部分采購包，而這些國家便需要對(duì)自己的采購包負(fù)全責(zé)。從研發(fā)到制造再到測(cè)試，每完成一個(gè)部件，就要交付到法國總部等待組裝。

在ITER總部，有一個(gè)環(huán)形會(huì)議桌，各國代表會(huì)在這里坐下開會(huì)，而他們每人前面都有一面國旗標(biāo)注身份。這樣的場(chǎng)景很像聯(lián)合國安理會(huì)，但在核工程領(lǐng)域，外交的作用是有限的。大機(jī)器能否按預(yù)期正常工作，答案非黑即白，在這里，退讓和禮貌都會(huì)成為災(zāi)難。ITER需要成千上萬個(gè)部件，其中許多本身就是巨大的機(jī)器，而它們需要完美地排列組裝起來，交付之后的任何瑕疵都極難修補(bǔ)。歸根到底，這個(gè)項(xiàng)目的成功要落在一個(gè)簡(jiǎn)單的問題上：所有部件都能兼容嗎？

負(fù)責(zé)把這些零碎的拼圖整理到一塊兒的，是ITER的設(shè)計(jì)整合總監(jiān)斯特凡諾·喬奇奧。他就在ITER總部旁邊的臨時(shí)建筑里辦公，工作任務(wù)極為繁重，每天像一粒原子一樣?xùn)|奔西跑，穿梭在各種會(huì)議之間。他常常說話說到一半，接上一句“好了”，好像這樣就能讓對(duì)方理解了；有時(shí)候，他的朋友在路上遇到他，會(huì)無奈地把他截停，順手幫他理一理皺得不成樣子的衣領(lǐng)。

在喬奇奧看來，許多設(shè)計(jì)沖突緣于項(xiàng)目本身的政治基礎(chǔ)。像這樣一個(gè)大的科研項(xiàng)目，往往都是牽一發(fā)而動(dòng)全身，只要你改了一個(gè)部分，那么其他的的部分也需要改動(dòng)。問題是，這些部分并不是由一個(gè)統(tǒng)一部門來設(shè)計(jì)制造的：為了能獲取技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，各個(gè)成員國從一開始就紛紛搶著要制造最核心最要命的部位；其結(jié)果，就是大家把最復(fù)雜的部分進(jìn)行了一番瓜分，各國分擔(dān)合作。比如說，ITER的真空腔本來應(yīng)該由一家獨(dú)立負(fù)責(zé)，以保持設(shè)計(jì)和制造的完整性，然而為了政治上的便宜行事，它被分成了9個(gè)部分，其中2個(gè)部分在韓國生產(chǎn)，另外7個(gè)由歐盟負(fù)責(zé)。這樣一來，當(dāng)然會(huì)在時(shí)間和金錢兩方面產(chǎn)生額外的溝通成本。另外，這樣要求堅(jiān)固穩(wěn)妥的機(jī)器，某些部分本該焊接而成，但歐盟方面為了節(jié)省成本，卻決定采用螺栓結(jié)合。對(duì)于喬奇奧和他的整合團(tuán)隊(duì)來說，這都是政治拖累科技所帶來的麻煩。

走進(jìn)核心

ITER的本質(zhì)是一個(gè)巨大的托卡馬克。托卡馬克（Tokamak）不是誰的名字，而是由環(huán)形、真空室、磁、線圈這四種東西的俄文名拼湊而成。它是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器，最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在1950年代發(fā)明的。托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。

在托卡馬克裝備里，中心螺管是重要一環(huán)。所謂螺管，跟大家在中學(xué)物理課上做的實(shí)驗(yàn)并沒有太大差別，就是將金屬絲纏繞在金屬棒上，然后再將鐵絲連接到電池兩級(jí)，等電流通過線圈時(shí)，磁場(chǎng)就自然產(chǎn)生。只不過，ITER中心螺管是一個(gè)重達(dá)1000噸且高達(dá)40英尺的大柱子，矗立在真空室的中間，而纏繞在它外面的線圈長(zhǎng)度將超過20英里。線圈材質(zhì)將選用鈮三錫。這一材料十分罕見，而且很少用于大型工業(yè)項(xiàng)目，但它可以產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)，是地球磁場(chǎng)的26萬倍。

對(duì)于ITER計(jì)劃來說，中心螺管既是模型缺陷的縮影，又體現(xiàn)了其克服缺陷的能力。

從技術(shù)上來說，要建造完美的中心螺管就不是件容易的事情。為了防止螺管一飛沖天，人們不得不用1080根螺栓把它的底部和頂部固定好。再說鈮三錫，那也是種難以處理的材料，它只有被高溫烤過以后才能顯示出其超導(dǎo)特性，所以人們必須用鈮三錫細(xì)絲造成的電纜絞合成一個(gè)組件，放進(jìn)氬氣里加熱數(shù)日。這些細(xì)絲，每根直徑都不足1毫米，它們跟銅交織纏繞，在高溫中，它們將就此定型，無法再彎曲。

各個(gè)成員國之間的明爭(zhēng)暗斗更讓事情雪上加霜。鈮三錫細(xì)線分包給了六個(gè)國家，而這六個(gè)國家的制造工藝大不相同，甚至連外形都有很大差別，喬奇奧將其形容為“一場(chǎng)噩夢(mèng)”。日本參與過中心螺管的原型設(shè)計(jì)，這會(huì)兒便也想在里面分一杯羹。2010年，兩家日本公司把樣品送到了瑞士的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果慘不忍睹—ITER運(yùn)行后，螺管需要經(jīng)受6萬次脈沖，但日本產(chǎn)的電纜只經(jīng)受了6000次就壞了。工程師們免不了憂心：難道ITER竟要死在這里？

官員們擔(dān)心這會(huì)令進(jìn)度拖得太慢，他們找到了一家能夠供應(yīng)鈮三錫細(xì)線的美國公司。2012年，這家公司制造的樣品在測(cè)試中表現(xiàn)良好，于是ITER的官員們敦促日本從這家美國公司那里買材料，這樣能最快也最有效地解決問題。“但你怎么能讓日本人花大價(jià)錢去美國那里買超導(dǎo)材料呢？”一位前官員說，因?yàn)槿毡救烁绹嗽谶@個(gè)領(lǐng)域有激烈的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。果不其然，日本人拒絕了。最后，工程師們?cè)囍鴮⑷毡镜碾娎|扭得更緊，其后又經(jīng)過了兩年多的討論和試驗(yàn)，日本的電纜終于通過了測(cè)試。“全世界都松了一口氣，”那位前官員說。

中心螺管的建筑承包，則被ITER外包給了一家名叫“通用原子”的美國公司。今年5月，日本將開始向通用原子運(yùn)送超導(dǎo)體，后者需要在2018年前完成6個(gè)組建的組裝制造。屆時(shí)，每個(gè)組件的周長(zhǎng)都將達(dá)14英尺，需要用30個(gè)軸承驅(qū)動(dòng)的卡車裝載，運(yùn)送到德州的加爾維斯頓港，然后在那里送上去法國福斯港的輪船，最后拖到托卡馬克的組裝中心。

組裝中心的高度是按照中心螺管建造的。一旦組件按照順序堆疊好，中心螺管會(huì)被裝在屋頂一個(gè)吊鉤上。起重機(jī)把螺管垂直吊起，一點(diǎn)一點(diǎn)地送到托卡馬克裝置預(yù)定安裝的位置，然后移到中心真空室里。這是精確的藝術(shù)，哪怕是寬了一毫米，它都無法裝進(jìn)為其量身定做的圓柱體里。在裝配的過程中，每一個(gè)變量也都經(jīng)過了精確的計(jì)算：在承受巨大重量時(shí)，電纜會(huì)被拉伸的長(zhǎng)度，起重機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的勢(shì)能，磁體搖晃的幅度，甚至是當(dāng)天的風(fēng)速及其會(huì)對(duì)起重機(jī)的影響，都已然全盤納入計(jì)算。因?yàn)檫@個(gè)工作不允許出任何的差錯(cuò)。

按下紅色按鈕

等到ITER啟動(dòng)的時(shí)候，它究竟會(huì)給我們帶來什么？答案與所有前沿實(shí)驗(yàn)一樣，沒有人真的知道，因?yàn)樵诖酥埃瑳]有任何人曾經(jīng)制造出這種規(guī)模的大型托卡馬克裝置。它真的能制造出一顆人造太陽嗎？我們能有效利用它帶來的效能嗎？它會(huì)給地球帶來什么傷害嗎？

ITER在運(yùn)行的時(shí)候，它的中央大腦，也就是那個(gè)被稱為“CODAC”（Coordination of Operating Data by Automatic Computer，自動(dòng)化計(jì)算機(jī)進(jìn)行的操作數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè) 12 萬條即時(shí)信息，內(nèi)容包括離子體的溫度，電磁活動(dòng)的波動(dòng)，以及這些因素對(duì)機(jī)器的影響等等。到時(shí)候，世界各地的物理學(xué)家將使用超級(jí)電腦來協(xié)助預(yù)測(cè)原子粒子的行為。

1980年代，托卡馬克裝置的性能提升一度遭遇瓶頸，因?yàn)榈入x子邊緣的狂暴無法控制：電磁旋渦將能量從超高溫核心中帶出來的過程散漫而且難以預(yù)測(cè)，粒子沖擊到器壁，導(dǎo)致溫度降低，核聚變可控程度也隨之降低。但是，1982年德國研究者無意中發(fā)現(xiàn)，在恰當(dāng)?shù)募訜釛l件下，等離子體邊緣部分的密度和溫度分布會(huì)快速變陡，從而形成臺(tái)基狀的邊緣輸運(yùn)壘（edge transport barrier，簡(jiǎn)稱ETB）。這種模式被稱為H模（H-Mode），也就是高約束模式。我們?cè)谶@里無需理解什么是高約束模式，事實(shí)上，現(xiàn)在物理學(xué)家們對(duì)其存在原因和工作原理也只有大概的理解。我們只需要知道，保持這種高約束模式將是托卡馬克裝置成敗的關(guān)鍵之一：如果邊緣輸運(yùn)壘承受的壓力過大，等離子就會(huì)爆出火苗，還必須要撲滅它。

ITER能有足夠的能量從低約束模式轉(zhuǎn)換到高約束模式嗎？我們目前還不得而知。ITER的熱量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將比目前世界上最大的托卡馬克裝置還要大三倍，它將以一種從未驗(yàn)證過的方式運(yùn)行，它會(huì)發(fā)生什么，我們無法預(yù)料。

即使熱量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能順利運(yùn)作，那也許也并不足夠?，F(xiàn)有科學(xué)理論只能提供大體的指導(dǎo)，科學(xué)家們并不能保證ITER一定能達(dá)到高約束模式。誤差范圍已然大得可怕，如同ITER總部的物理學(xué)家喬·斯奈普所言：“我們已經(jīng)試了一次又一次。這個(gè)我們，指的是全世界用各種不同機(jī)器研究核聚變的專家們，我們都努力想減小誤差范圍，但我們真的做不到。高約束模式受到各種各樣的因素影響，我們甚至不知道這些因素都是什么。”

到目前為止，研究這個(gè)熱量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所花費(fèi)的人力物力極大，光硬件設(shè)備就超過10億美元。有些工程師懷疑，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其在托卡馬克裝置中的作用。然而，有更多的人相信，我們應(yīng)該繼續(xù)窮盡一切可能去吃透它的原理，因?yàn)檫@就是ITER作為大科研試驗(yàn)的終極目標(biāo)：尋找一條達(dá)到夢(mèng)想的道路。

核聚變之美

由于這個(gè)工程過于前沿，所以技術(shù)上的參考資料也沒有統(tǒng)一，許多概念都有不同的表達(dá)方式。為了防止ITER計(jì)劃成為科學(xué)界的“巴別塔”，喬奇奧要求所有參與其中的科學(xué)家都使用統(tǒng)一術(shù)語，如有必要的話，甚至要求使用同一種語言。當(dāng)然，統(tǒng)一度量衡也是必須的。這自然是個(gè)吃力不討好的活，但喬奇奧對(duì)這個(gè)項(xiàng)目帶有一種使命感，他必須要這么做。

幾乎所有參與這個(gè)計(jì)劃的人，都有這樣的使命感。在ITER總部，盡管煩心事一件接著一件，項(xiàng)目完成日期也是一拖再拖，但這種使命感卻像約束磁場(chǎng)一樣，將悲觀情緒管束壓制起來。有一天下午，一位物理學(xué)家跟記者談起自己的工作，他半開玩笑地提到《星際迷航》里的“企業(yè)號(hào)”也是由核聚變提供動(dòng)力的，然后，原本無精打采的他突然神采飛揚(yáng)起來。

喬奇奧也為之觸動(dòng)。他最早是研究核裂變的，當(dāng)時(shí)能源界流傳著一種“石油峰值論”，說地球馬上會(huì)面臨能源匱乏的局面?！拔矣X得核能可以解決這個(gè)問題，”他說，“但過了幾年，我得說，切爾諾貝利事故影響了我，而且全世界都開始放緩對(duì)核電站的建造。在意大利，我參與的項(xiàng)目慢慢走到了終點(diǎn)，雖然沒完全停止，但很顯然，它已經(jīng)無法得到新的政策支持了?！痹谶@個(gè)時(shí)候，他得到一個(gè)機(jī)會(huì)，跳槽到了歐聯(lián)磁核聚變?cè)O(shè)備（Joint European Torus，簡(jiǎn)稱JET）計(jì)劃，就此走上研究核聚變的道路。然后，就是ITER了。

“核聚變看起來能取得成功，它是一種清潔能源，能取代核裂變，”喬奇奧說。確實(shí)，與核裂變相比，核聚變不太可能發(fā)生大規(guī)模泄漏事件。因?yàn)楹司圩兊臈l件過于苛刻，只要約束磁場(chǎng)有任何不穩(wěn)定，反應(yīng)爐里的燃料立刻就會(huì)喪失反應(yīng)能力，更不要說從磁場(chǎng)中泄露出來了。另外，核聚變的原料可以從海水中獲得，比核裂變的原料要靠譜很多。它所產(chǎn)生的廢料氚，雖然也有放射性，但其半衰期僅為12年，遠(yuǎn)比核裂變廢料動(dòng)輒上百萬年的半衰期要安全。

當(dāng)然，核裂變已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)了，但可控核聚變依然在路上。所以地球上科技能力最強(qiáng)的幾個(gè)大國才要聯(lián)合起來進(jìn)行ITER計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃將花費(fèi)上百億美元甚至更多（其中歐盟將承擔(dān)50%，其余六方分別承擔(dān)10%，超出的10%用于支付建設(shè)過程中由于物價(jià)等因素造成的超支），但一旦成功，將為未來的核聚變商業(yè)化打下基礎(chǔ)，而人類也終于可以擁有一種取之不盡用之不竭的清潔能源。