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[转载] 通往太阳的道路——国际热核实验反应堆(ITER)

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转载自 三思科学

当你从东方的地平线升起
你将美丽普施于四方
你高悬于天空,光线照耀大地……
——埃及第十八王朝法老阿肯纳顿《太阳颂诗》(约公元前1370)

太阳

在计划提出20年之后,国际热核实验反应堆(ITER)建设地点终于确定,拟于年内开工。这是一个事关世界未来能源安全的重大国际合作项目,其意义不逊于人类基因组计划和国际空间站。  

原子核里封锁着巨大的能量,它在瞬间释放出来时,具有一切其它武器都难以企及的毁灭性,一点点物质产生的能量就能摧毁一座城市。如果予以恰当控制和分配,同样的能量也许够给这个城市供电一整年。我们目前对前者比对后者精通得多,从人类擅长互相杀戮的历史来看,这样的黑色幽默并不稀奇。但现实不完全是黑色的,在和平利用自身力量的光明道路上,人类总算也还在缓慢前进。

ITER所在地位置,法国卡达拉舍
ITER所在地位置,法国卡达拉舍

2005年6月28日,国际热核实验反应堆的建设地点尘埃落定,工程终于将正式开始。这个项目英文名称缩写ITER,在拉丁语里是“道路”的意思。如果一切顺利,它将成为世界第一个产出能量大于输入能量的核聚变装置,为制造真正的反应堆作准备。这条通往和平利用聚变能的“道路”,将“铺设”在法国南部的卡达拉舍,这个地方属于优雅美丽的普罗旺斯。

太阳的发动机

从某种意义上说,人类早就开始间接地利用核聚变产生的能量——地球万物所依赖的能量,绝大部分都可追溯到太阳,而太阳就是一个巨大的核聚变熔炉。所有的恒星都依靠核聚变发出光和热,可以说,核聚变照亮着宇宙。

原子核集中了原子的绝大部分质量,它由带正电的质子和不带电的中子组成,质子和中子统称核子。质子的正电荷之间会产生排斥力,但强大的核力压倒了电荷斥力,把核子紧紧束缚在一起。要把它们拆开,必须花费很多能量。

在不同元素的原子核里,核子的结合方式不同,把核拆成单个核子所需要的能量也不同。因此,有的时候,一个比较大的原子核分裂成两个小的原子核时,会额外释放出一些能量,称为核裂变。原子弹和核电厂所利用的,就是裂变能。有时候情况也相反,两个小原子核结合形成一个大核时释放出能量,即核聚变。太阳和其它恒星的动力,都来自聚变能。

氘氚聚变反应
氘氚聚变反应

恒星里的聚变反应有不同方式,到底采取哪种方式,取决于恒星的大小。太阳是一颗中等恒星,它里面典型的反应是,4个质子经过一系列变化,变成含2个质子、2个中子的氦-4原子核,并释放出一些能量。老实说,这种反应的效率很低,太阳有着巨大的质量,物质非常多,虽然反应效率低,也能产生很多能量。如果要在地球上完全模仿太阳来进行聚变发电,大家就只好亏损得去撞墙了。

在人类比较了解的聚变反应中,效率最高的是氢的两种同位素——氘(D)和氚(T)的聚变,其次是氘核之间的聚变。普通的氢原子核就是1个质子,氘核里有1个质子、1个中子,氚核里有1个质子、2个中子。氘和氚结合变成氦,释放出能量。氘在地球上很丰富,每立方米的水中有30克,可以用电解提取。氚是不稳定的放射性同位素,在自然界里没有,必须用锂来制取。地壳里有不少锂,海水中也有一些。

理论上,只需要1千克氘和10千克锂,就能以1000兆瓦的功率发电1天——或者你更愿意烧上1万吨煤?即使考虑运营成本、打上很多折扣,核聚变的能量产出也非常可观。一旦实用化,人们可以完全不必担忧“几百年里石油会用光”之类的事。而且石油的分布太不均匀,国际上很多麻烦由此而起,人们如果不再依赖它,也许会相处得和睦些。

遥遥无期的实用化

早在上个世纪50年代,早期的受控热核聚变(不受控的那叫氢弹,至于冷的,我们后面再讲)实验就取得了令人振奋的成果。当时有科学家充满自信地预言,50年后人们就可以用上核聚变工厂发的电。但现在50年过去了,我们离实用化的目标似乎还有50年那么远。这让人多少有点尴尬:就像超导、基因疗法等其他一些许下了美好诺言却迟迟不能兑现的研究那样,时间长了,公众就开始疲倦和怀疑了。

但因此而看轻了核聚变研究50年来的进展,是不公正的。聚变反应的原理早已成熟,无可怀疑,实用化的障碍在于其间的技术困难。这种事十分常见。两块铀放在一起,超过临界质量,就触发链式反应,这原理足够简单吧?可是研制原子弹对任何国家都是艰巨工程,需要集中最优秀的头脑和巨大的物力来进行。

和平利用核能、严格控制其稳定产出与安全运转,工程的复杂度比造核弹更高(又不像核弹那样有重大国防意义,也就不怎么受重视)。何况,聚变所需要的条件比裂变要高得多。太阳核心的温度有上千万度,可这只够进行低效率的质子聚变。氘和氚发生聚变的最佳温度,是1亿度(在这种级别上,到底是用摄氏度还是绝对温标,其实都没什么差异了)。这意味着,人类必须制造出比太阳更极端的环境。

把气体加热到1亿度当然非常需要技巧。而1亿度的气体用什么装?没有材料吃得消这样的温度。幸好这时原子核与电子早已分离,气体变成带电的等离子体,这样就可以用磁场来束缚,让等离子体完全悬空,不与容器的四壁接触。现在最流行的约束装置叫做“托卡马克”(Tokamak),它是苏联人发明的,大致是一个环形的管子,受强磁场约束的等离子体悬浮在管子中央,形状像一个面包圈。

热核聚变在技术上的困难,使得一些科学家转而寻求更简单的办法。1989年轰动世界的“冷核聚变”事件,至今还争议重重。当时犹他州大学的两位科学家宣布,他们将钯电极浸泡在重水中,在室温下实现了核聚变,产出能量比输入能量更多。很多人重复了他们的实验,但重复不出结果,这件事因此成为“病态科学” 甚至骗局的一个代表。但也有人不肯放弃,美国能源部甚至在事隔16年后重新开始征集冷核聚变实验方案。

当然,相比起没有弄清楚原理、甚至不知道到底是否存在的冷核聚变,技术上困难但原理上清楚的受控热核聚变仍然是主要的研究对象。这些年来,人们正在稳步取得进展。各国的托卡马克装置性能不断上升,加热温度从1000万度上升到几亿度,产生的等离子体在密度和维持时间上也提升了几个数量级。输出的能量也接近了输入能量,只是还没有达到“收支平衡”的状态,更不用说“盈利”。

和平道路

ITER的诞生,不仅是出于科学需要,也与当时的国际政治气候相符。20世纪80年代,各国科学家认为,他们需要合作建造更大的托卡马克,来更深入地研究聚变反应。此时美苏关系解冻、东西方冷战终结,两个超级大国需要用一个和平项目来显示合作的诚意。一个大规模的核聚变研究项目,既没有国防意义,也不能马上赚到钱,但符合人类长期发展的共同利益,和平而且清贵,正合乎核裁军后的政治需要。于是,在1985年11月的日内瓦峰会上,里根和戈尔巴乔夫接受了美、苏、欧、日共建核聚变工程以和平利用核能的建议,这就是ITER计划。

ITER是一个国际项目,研究人员来自不同国家
ITER是一个国际项目,研究人员来自不同国家

那以后并不一帆风顺。能源危机的阴影渐渐淡去(当然,最近几年似乎又回来了,油价飞涨,“战略石油储备”成为流行语),替代传统能源的需求并不为各国政府特别重视。核裂变发电厂的危险,使公众越来越不喜欢核电,聚变发电的环境危害非常小,但仍不免遭池鱼之殃。而且,一个很大程度上因政治而生的项目,当然也更容易受大国关系变动的损害。1998年ITER的设计都快要完成了,美国却退出了计划,这让俄、欧、日决定缩减项目规模。

但是,能源问题毕竟不容忽视,气候变化的压力也越来越大,人类必须减少使用化石燃料,寻求新的能源。聚变研究如果成功,很可能成为未来世界能源的主力。磕磕绊绊多年之后,ITER还是完成了详细设计,进入了选择建设地点、准备动工的阶段。美国重新回到计划中,中国和韩国也加入进来,形成欧、美、俄、中、韩、日六方共同建设的局面(其间加拿大也曾参与,但2003年底退出)。

ITER的等离子环剖面图
ITER的等离子环剖面图

ITER是一个事关世界未来能源安全的重大国际合作项目,其意义不下于人类基因组计划和国际空间站。它计划于2015 年建成并产生第一批等离子体,运行21年。ITER本身将不用来发电,它是一个实验装置,其长期任务是取得技术上的关键突破:越过能量的“收支平衡点”,证明利用核聚变能在技术上是可行的,具有实用价值。目前托卡马克装置性能的世界纪录是欧洲的JET,它的最高输出功率达到16兆瓦。ITER的等离子环直径将达12米,比JET大一倍,功率可望达到400-700兆瓦。

如果ITER取得成功,人们下一步将在2035年左右建造一个叫DEMO的试验反应堆。然后在2050年建造第一个商业化反应堆,2060年增加到 10个,2100年增加到1500个,满足全球电力20%的需求。——当然,科学成果是不能预约的,我们并不能保证ITER一定能成功、一切都能按日程表进行。现在的人们也许大多数活不到用上核聚变能的时候。

法国 VS 日本

为了方便运作,ITER自然要建设在参与国之一的领土上。承建ITER的好处很多,巨额工程合同还只是短期的小利,更重要的是本国核能研究事业将得到巨大促进、确保世界领先地位。起初有4个竞争地点,分别在法国、西班牙、日本和加拿大。美国因为法国不支持打伊拉克,在 ITER的问题上给法国使绊儿,先说支持西班牙,后来西班牙在欧洲的内部竞争中被淘汰后,又转而支持日本。选址谈判一度陷入三对三的僵局,美、韩支持日本,而俄、中力挺法国。媒体开玩笑说“道路迷路了”。

卡达拉舍
卡达拉舍

在技术上当然是法国比较有优势,其核能工业世界领先,国内大部分电力来自核电,可谓履历优良。卡达拉舍本来就是法国核能研究的重地,气候良好,交通便捷,位于普罗旺斯的艾克斯附近。后者是著名的大学城、塞尚的故乡。此外,法国发生地震的危险比日本要小。但欧洲内部的政治问题,加上公众不太齐心,也使法国的方案有弱点。

日本提出的建设地点在青森县六所村,青森县位于本州岛东北部,与北海道隔海相望,稍嫌偏僻,不免让人疑虑其交通、供电等配套服务是否能满足ITER的需求。但日本也有优势,聚变研究很有成果,它的JT-60托卡马克可与其他国家任何一流的托卡马克装置相比。更重要的是,日本资源短缺,在开发新能源的问题上比别的国家急切得多,国家固然不惜代价,公众也对申请建造ITER非常支持。日本还试图说服中国认为,ITER建在亚洲将有利于中日双方。

ITER的结构图
ITER的结构图

法国和日本互不相让,足足僵持了一年半。其间欧盟于2004年底放出狠话,说再谈不拢就要撇开日、美,跟支持自己的伙伴单干。理论上讲,欧、俄、中三方联手,确实有单干的实力。日本这下有点扛不住了,加上小布什连任成功,感觉事易时移,需要对欧洲示好,于是不再支持日本。这下子,竞争双方强弱立判。日本原先坚决不肯谈论ITER建在法国的可能性,现在不得不让步,最终退出竞争。6月28日于莫斯科举行的六方会谈上,卡达拉舍终于被确定为ITER的建造地点。法国人非常高兴,希拉克亲赴卡达拉舍表示祝贺,一位负责科学家得意洋洋地对媒体说“这个地方无与伦比。”

不过,日本的屈服也得到了优厚的补偿。在约55亿美元的ITER建造预算中,欧盟将承担一半(其中包括法国的10%),另一半由美、俄、中、日、韩平摊,每家10%,大多以设备和零件的方式提供。日本将得到20%的零件制造合同,以及20%的科研职位,而不是按出钱的份额只占10%。欧盟还同意支持由一位日本人来担任ITER组织的负责人。

日本得到的好处超过了它的贡献份份额,这让中国和韩国有点不爽。另一方面,尽管如此,日本科学家还是大失所望,正在寻找出气的对象。有人说一开始把地方选在青森县就是错误的,那里太偏僻了,会让人以为日本不够重视这个工程。还有人怪首相小泉纯一郎缺少个人魅力:法国总理希拉克可以就ITER的价值和重要性侃侃而谈半小时,小泉则只会说“我们想要ITER”。

但无论如何,僵局打破是一件好事,总的来说还是令人高兴的。有关计划尚需各国议会批准,如无意外,在今年内,负责运行ITER的组织就将成立,工程也将正式开始。毕竟从计划提出至今已经20年了,一位业内人士说:“坦率地讲,ITER得快点动工才行,不然当年参加谈判的人们都老得要死掉了。”

后续相关:ITER(国际热核实验反应堆)专题

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最后修改:Wen 于 2005-11-06 15:22:54

发表于 2005-09-30 14:21:16
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