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又一个清洁能源梦寄托在核反应上,这次是热核聚变,而且真的很贵

最大的安慰——核聚变反应发电不会产生核裂变的危害。

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法国圣保罗勒杜兰电 - 普罗旺斯的石灰岩山脉中有一个尘土飞扬的建筑工地,工人们绕着混凝土厚板疾走,这些厚厚的水泥板围城一个环形,宛如现代的巨石阵。

这看起来就像是要建一个大型的商用发电站,但事实上并不是。这个工程叫做国际热核聚变实验反应堆(ITER),这是一个超大型、极其复杂并耗资巨大的物理实验。如果这项实验取得成功,它将决定未来发电站的命运,还将为减少全球温室气体排放做出巨大贡献。

ITER 是国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)的缩写,实验的目的是验证人们一个由来已久的梦想:让太阳内部以及氢弹爆炸中的核聚变和原子反应变得可控,再利用其发电。

1985 年的美苏峰会首次提出了这一设想,这是一个多国共同合作的项目。欧盟投入了 45% 的资金,美国、俄罗斯、中国和其他三个伙伴国各承担 9% 的资金。人们一直认为这个实验的成功,将是实现未来无限电力能源供应梦想的关键一步。

国际热核聚变实验反应堆产生的不是电力,而是热量。如果试验成功,反应堆产生的能量将大于消耗的能量。到目前为止,小型的核聚变实验还达不到这一效果。与化石燃料发电站不同,核发电没有温室气体排放,也就不会对气候产生影响。目前的核反应大多是原子裂变而非聚变,而核聚变反应发电则不会产生核裂变的危害。

国际热核聚变实验反应堆项目的完成似乎总是还需要几十个年头。这个项目已经开展数年但推进困难,主要的问题出在实验的设计和管理上,项目因此一再拖延,成本也不断飙升。

总负责人伯纳德·毕格特(Bernard Bigot)的出现让项目终于有了进展。毕格特两年前完成了一项对此项目十分关键的独立研究,此后他接管了国际热核聚变实验反应堆项目。毕格特博士曾经是法国原子能机构的负责人,因解决了管理难题而广受好评,他摒弃了政治因素的干扰,依据物理和工程学研究出了一份实际可靠的工作计划。

毕格特在接受采访时说:“我坚信项目在全速前进,还可能是加速前进。”

施工现场有许多塔吊,工作人员正在建造混凝土结构,它是支持整个实验的核心,这一混凝土环形结构被称为托卡马克(tokamak)。核聚变将在等离子体中发生,等离子体是一团温度超高的离子团,只能存在于超强的磁场中。

托卡马克组件和其他组成部分,包括巨大的超导电磁铁和一个直径和高度约百米的钢结构,这将是世界上最大的不锈钢真空管,它由参与国制造,预计明年在托卡马克旁边的一个巨型大厅中开始组装。

这个项目的生产和建造规模不亚于船舶制造,但对细小原件精准程度的要求堪比腕表,也因此面临巨大的技术挑战。

毕格特博士说:“这是一个挑战。我们要对工程质量保持高度敏感。”毕格特将大部分的时间用在解决产于不同地方的元件的组装问题上。

即便项目进展顺利,不完成聚变、只用氢元素构成“第一个等离子体”的目标在八年之内也无法实现。所谓燃烧的等离子体,就是含有少量易熔燃料、由两个氢元素的同位素氘和氚构成的物质,它可以保持 6 到 7 分钟,释放出巨大的能量,这一目标的实现最早也要等到 2035 年。

2035 年距离美国总统罗纳德·里根(Ronald Reagan)和苏联领导人米哈依尔·戈尔巴乔夫(Mikhail S. Gorbachev)1985 年在日内瓦会议上最初提出合作进行核聚变实验已有半个世纪。要建成高效商业核聚变发电站则需要更长的时间。

罗切斯特大学研究者里卡多·贝蒂(Riccardo Betti)跟踪国际热核聚变实验反应堆项目多年,他说:“控制核聚变非常困难。等离子体不会平白无故听你的话,它会想尽办法让你吃尽苦头。”

实现核聚变也非常昂贵。国际热核聚变实验反应堆项目的设计和建造费用预计将达到 200 亿欧元(按照当前汇率大约是 220 亿美元)。但在某些参与国家(比如美国),由于其劳动力成本较高,制造某些部件的成本也会更高。美国在这个项目的最终投入预计将达到 40 亿美元,其中包括一个大型的中央电磁场,据说这一电磁场足以举起一架飞机。

尽管项目取得了一定进展,但对于国际热核聚变实验反应堆项目的质疑也不绝于耳,特别是美国。进入新世纪后,美国曾有五年退出了这一项目,美国能源部的资金支持也一直受到政治政策的遥控。

美国能源部在去年发布的一份报告中声明,将继续支持国际热核聚变实验反应堆项目,国会已经通过了 1.15 亿美元的拨款。特朗普上台之后,尚不清楚美国是否还会继续支持这个项目。特朗普已经特提出削减能源部科学办公室 20% 的预算,而能源部的科学办公室是国际热核聚变实验反应堆基础研究的资助方。(美国能源部还资助了另外一个利用激光的核聚变项目,这个项由加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室执行,一直麻烦不断。)

毕格特博士上周在华盛顿会见了新能源秘书里克·佩里(Rick Perry)并表示,他发现佩里“乐于倾听”关于国际热核聚变实验反应堆项目的消息及其长期目标,毕格特还说:“但他一定要在预算上做出一些短期的抉择。”

美国能源部新闻助理并未做出任何回应。

包括田纳西州共和党人亚马尔·亚历山大(Lamar Alexander)等的国会议员,在肯定毕格特努力的同时,也认为这个项目占用美国能源部基础研究预算的比重过大——这笔预算大约有 50 亿美元。

国际热核聚变实验反应堆项目总负责人伯纳德·毕格特,毕格特此前是法国原子能机构的负责人。图片版权:国际热核聚变实验反应堆组织

亚历山大在一份声明中表示:“我依然担心继续支持国际热核聚变实验项目会影响科学办公室其他重点计划,能源部门已经表态,这些重点计划更加重要,我的态度也是如此。”

如果美国退出,目前尚不清楚这一项目将会发生怎样的变化。毕格特博士坚信,每个参与国家都希望这个项目能够走到最后。他说:“你将有机会验证聚变是否可行。机不可失,失不再来啊。”

即便是支持国际热核聚变实验的科学家也在担心它对其他研究的影响,

马里兰州大学物理学家、国家美国国家科学院等离子科学委员会主席威廉·多兰德(William Dorland)说:“各地的工作人员都担心这是一场打不赢的仗,但这个项目为聚变反应提供了科学基础。如果国际热核聚变实验反应堆能够向前推进,可能会用掉所有的资金。但如果没有更大的支持力度,加之美国的退出,实验的妥协将大大降低其科学价值。”

在国际热核聚变实验反应堆的托卡马克中,氘和氚的原子核将融合产生氦,这个过程中损失的一小部分质量将转化为巨大的能量。中子会带走大部分能量,躲过等离子体并撞击托卡马克的内壁产生热量。

在核聚变反应堆中,热量将被用来产生蒸汽、推动涡轮机发电,这与现有发电站利用燃煤等方式产生的热量的方式类似。国际热核聚变实验反应堆将通过冷却塔散热。

法国国际热核聚变实验反应堆冷却站中的柱子。图片版权:国际热核聚变实验反应堆组织。

核聚变没有失控反应或核反应堆核心熔毁的风险,即便产生核废料,其影响也不会比聚变反应堆中作废的燃料棒和放射性元件更加持久。

原子核为了实现聚变需要快速移动,原子核要达到非常高的温度才能克服自然的排斥力并相撞。太阳内部极强的重力场起到了这一作用,原子核的温度需达到约 1500 万摄氏度才可以。

在托卡马克里,因为没有很强的地心引力,原子的温度就要达到太阳的十倍左右。因此需要用到脉冲磁场和微波等产生的巨大能量来加热等离子室。几英尺之外,超导电磁铁的线圈需要冷却到绝对零度以上几度。不用说也很清楚,这对材质和技术的挑战非同寻常。

虽然目前所有的聚变反应堆产生的能量都小于消耗的能量,物理学家们希望国际热核聚变实验反应堆能够借助规模大的优势改变这一现状,它产生的能量将超过耗能的十倍以上。但这一项目依然面临着诸多挑战,最主要的问题就是要控制等离子体边缘的不稳定状态,因为这种不稳定会毁了整个实验。

在建设的初级阶段,这一项目就显出了其非凡的复杂程度。混凝土厚板中嵌入了数千块钢板。这些钢板看起来杂乱无章,但实际上,它们的位置都经过了精确的计算。国际热核聚变实验反应堆是按照法国核电站的标准建造的,因此不允许在混凝土板上面打孔。随着工程的进行,这 8 万块钢板将随其他元件一同安置于指定位置。

毕格特博士表示,一两个小错误就足以使数年的努力毁于一旦,在国际热核聚变实验反应堆的各项工作中,避免出错的关键是不要赶时间。

面对外界对项目时间表的质疑,他说:“人们认为这个时间太长了。但如果你想保证质量,那就需要花时间。”


翻译 熊猫译社 孙一

制图 冯秀霞

题图来自 NYT

© 2017 THE NEW YORK TIMES

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