人造太陽(yáng)坎途

法國(guó)南部卡達(dá)哈什（Cadarache），直通港口的公路已經(jīng)改造完成。從2014年開(kāi)始，這條長(zhǎng)104公里的道路將經(jīng)受考驗(yàn)：很多龐大的部件在港口上岸后，由超重型車(chē)組經(jīng)此運(yùn)往卡達(dá)哈什。

這些部件的龐大名副其實(shí)，最重的900噸，最高的10米，最寬的9米，最長(zhǎng)的61米。它們將在2019年組裝出國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。這是人類(lèi)一項(xiàng)雄心勃勃的科學(xué)和工程項(xiàng)目，目的是在地球復(fù)制一個(gè)小型的太陽(yáng)。

早在20世紀(jì)50年代初，人類(lèi)已經(jīng)掌握了核聚變反應(yīng)。1952年11月1日，美國(guó)成功引爆第一枚氫彈。其原理是借助原子彈爆炸時(shí)形成的高溫高壓，使得氫的同位素氘和氚聚合成較重的原子核，并釋放出巨大能量，產(chǎn)生驚人的破壞力。不過(guò)，這一劇烈的過(guò)程無(wú)法控制。如今，整整60年過(guò)去，人類(lèi)仍無(wú)法像太陽(yáng)那樣實(shí)現(xiàn)持續(xù)可控的熱核聚變。

ITER要完成這一目標(biāo)。在2012年11月底，ITER組織召開(kāi)第十一屆理事會(huì)的一項(xiàng)重要議題，就是如何追趕進(jìn)度，因?yàn)檫@個(gè)工程比預(yù)期進(jìn)度晚了很多。與會(huì)代表都希望加快工程的執(zhí)行進(jìn)度和尋找其他的挽回辦法。然而，面臨種種困擾的人造太陽(yáng)，作為可能的人類(lèi)能源的終極解決方案，前路充滿坎坷。

追趕時(shí)間

ITER技術(shù)總監(jiān)雷姆·漢賈（Rem Haange）自2011年上任起，就一直在追趕工程時(shí)間表，當(dāng)時(shí)工期已經(jīng)嚴(yán)重落后于預(yù)定計(jì)劃。根據(jù)目前的進(jìn)度計(jì)劃，項(xiàng)目將于2020年實(shí)現(xiàn)一個(gè)重要里程碑，即產(chǎn)生第一束等離子體，這比早先的計(jì)劃推遲了近兩年。

延誤首先來(lái)自工程設(shè)計(jì)方案的遲遲未決。由于工程本身的復(fù)雜性，很多設(shè)計(jì)與整個(gè)系統(tǒng)息息相關(guān)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，造成方案設(shè)計(jì)耗時(shí)較多。

另一個(gè)原因是與制造商長(zhǎng)期且不順利的談判。例如，ITER組織目前無(wú)法明確告訴工程承包商細(xì)化的施工內(nèi)容，導(dǎo)致承包商難以精確核算成本。根據(jù)英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，最終的設(shè)計(jì)方案將在2013年3月完成，但按照預(yù)定時(shí)間，承包商必須在今年底提交工程合同。

ITER組織采購(gòu)各種部件的復(fù)雜體系還會(huì)進(jìn)一步拖延工期，且其所有決定，不管是工程預(yù)算、日程安排，還是技術(shù)決策，必須征得所有參與成員的一致同意，這需要相當(dāng)高的外交技巧。參與ITER計(jì)劃的歐盟、中國(guó)、日本、美國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)和印度七個(gè)國(guó)際成員，包括了34個(gè)國(guó)家、全球一半以上的人口?！癐TER不僅是一項(xiàng)技術(shù)工程，政治也摻和其中。”漢賈對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說(shuō)。

在工程建設(shè)階段，歐盟大致承擔(dān)了總費(fèi)用的45.5%，其他六國(guó)各負(fù)擔(dān)9.1%。這種責(zé)任并非僅出資即可，更多是以實(shí)物貢獻(xiàn)。成員各自的執(zhí)行中心共同承擔(dān)組件和系統(tǒng)的采購(gòu)任務(wù)，并由其支付費(fèi)用，然后免費(fèi)提供給ITER組織。ITER組織只承擔(dān)一小部分的配件和系統(tǒng)采購(gòu)任務(wù)，并承擔(dān)實(shí)驗(yàn)堆的組裝任務(wù)。

這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，各成員可以共同學(xué)習(xí)、分享最新科技。ITER組織總干事辦公室傳播事務(wù)主任米歇爾·克萊森斯（Michel Claessens）分析稱(chēng)，“如果ITER成功了，所有成員都能夠在他們自己的國(guó)家復(fù)制ITER。”

但顯而易見(jiàn)，這種采購(gòu)方式增加了項(xiàng)目的復(fù)雜性，并直接影響項(xiàng)目進(jìn)展。ITER組織對(duì)此也有準(zhǔn)備，在組件制造過(guò)程中，采取嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控程序，以保證整體協(xié)調(diào)。

盡管ITER工程的很多部分都面臨延遲，但總體進(jìn)程并沒(méi)有改變。ITER計(jì)劃分三個(gè)階段進(jìn)行：第一階段從2007年底至2019年，為實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)階段；第二階段持續(xù)20年，為熱核聚變實(shí)驗(yàn)階段，其間將驗(yàn)證核聚變?nèi)剂系男阅?、?shí)驗(yàn)堆材料的可靠性，以及核聚變堆的可開(kāi)發(fā)性等，為大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)聚變能進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)論證；第三階段歷時(shí)五年，為實(shí)驗(yàn)堆拆卸階段。在實(shí)驗(yàn)階段結(jié)束后，各參與方還將同時(shí)進(jìn)行示范堆建設(shè)，為最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)堆開(kāi)發(fā)做準(zhǔn)備。

ITER進(jìn)展遲緩似乎與生俱來(lái)。1985年，美國(guó)和前蘇聯(lián)兩國(guó)首腦倡議建造ITER，后由美、蘇、歐、日共同啟動(dòng)。三年后，1988年才開(kāi)始概念設(shè)計(jì)，又用了13年才最終完成工程設(shè)計(jì)報(bào)告。

“我們會(huì)盡可能遵照進(jìn)程計(jì)劃?！睗h賈表示，進(jìn)程計(jì)劃的任何改變都需要得到ITER組織理事會(huì)的批準(zhǔn)。未來(lái)，如果確實(shí)找不到辦法彌補(bǔ)項(xiàng)目建設(shè)的延遲，才會(huì)向理事會(huì)申請(qǐng)改變進(jìn)程計(jì)劃。

伴隨延遲而來(lái)的，是ITER工程預(yù)算的不斷攀升。

目前ITER的工程預(yù)算已從50億歐元翻了3倍多，達(dá)到160億歐元，但反應(yīng)堆的規(guī)模卻縮水了一半。

成本飆升的外部原因是，自2001年以來(lái)，建筑成本、人工等費(fèi)用顯著增長(zhǎng)，其中鋼鐵的價(jià)格翻番，水泥的價(jià)格甚至翻了兩番。

來(lái)自?xún)?nèi)部的原因則是，ITER組織2007年成立后，對(duì)工程設(shè)計(jì)重新評(píng)估，修改了一些設(shè)計(jì)，建設(shè)成本有所增加。據(jù)ITER組織提供的數(shù)據(jù)，工程成本增加了67%。

好在成本的上升并未直接影響項(xiàng)目進(jìn)程。

新能源之路

ITER在拉丁語(yǔ)中有“道路”之意。在某種程度上，可控?zé)岷司圩円泊_實(shí)被視為能源的終極解決方案。在地球上，最容易實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的是氫的同位素氘和氚。

為了說(shuō)明核聚變的無(wú)限潛力，科學(xué)家們總在說(shuō)：1升海水中所含的氘發(fā)生聚變反應(yīng)，可釋放出相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。地球上的海水資源異常豐富，用于產(chǎn)生氚的鋰也有相當(dāng)大的儲(chǔ)量，這使得核聚變不會(huì)遭遇燃料瓶頸。理論上，這將是一種便宜、安全、海量的理想能源。

氘氚聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦，沒(méi)有放射性廢物，只產(chǎn)生易于處理的短壽命放射性物質(zhì)，相對(duì)傳統(tǒng)的核電站也更安全。因?yàn)楹穗娬镜姆磻?yīng)堆要先期注入大量核燃料，而核聚變是在反應(yīng)過(guò)程中隨用隨加原料，具有更高的安全性。

要想利用這些獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家們需要做一些前所未有的工作和創(chuàng)新。

恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，是由于星球自重產(chǎn)生巨大的引力，把處于等離子態(tài)的氫核壓在一起，相互碰撞，引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。太陽(yáng)擁有太陽(yáng)系全部質(zhì)量的99.8%，在地球上，無(wú)法產(chǎn)生如此大的壓力，只能通過(guò)提高溫度來(lái)彌補(bǔ)。聚變反應(yīng)堆的溫度要上億攝氏度，燃料氣體被電離成等離子體后，才能保證原子核有足夠的動(dòng)能彼此接近，并發(fā)生碰撞。

同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)充分的約束。將高溫等離子體控制在高密度狀態(tài)，維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便充分地發(fā)生聚變反應(yīng)，直至無(wú)需再?gòu)耐饨巛斎肽芰浚@一過(guò)程被稱(chēng)為“聚變點(diǎn)火”。要實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，必須達(dá)到一定的約束時(shí)間。

科學(xué)家已找到兩條途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)這種約束：磁約束和慣性約束。從研究進(jìn)展看，這兩種約束方式很難說(shuō)哪種更具明顯優(yōu)勢(shì)，而且都面臨著不同的難題。由于在慣性約束中使用的大功率激光器還可用于核武器研究和基礎(chǔ)科學(xué)研究，有能力開(kāi)展研究的國(guó)家都傾向于自主研發(fā)。如美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）和中國(guó)的神光Ⅲ裝置，都屬于慣性約束。

ITER選擇的是磁約束，主要利用大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。被稱(chēng)為托卡馬克的裝置是現(xiàn)在完成磁約束最成熟的構(gòu)形，要想實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，就要建造一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，這是第一步。

下一步就要讓輸出的能量超過(guò)輸入的能量，以獲得凈聚變能。ITER的設(shè)計(jì)總聚變功率為50萬(wàn)千瓦，如果一切按照計(jì)劃進(jìn)行，科學(xué)家們將用5萬(wàn)千瓦的啟動(dòng)功率，制造出50萬(wàn)千瓦的功率，能量增益達(dá)10倍之多。

此前最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是1997年位于英國(guó)的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）創(chuàng)造的，其輸入2.5萬(wàn)千瓦的功率， 輸出只有1.6萬(wàn)千瓦，尚不能達(dá)到輸入功率。JET的工程規(guī)模是ITER的二分之一。

“一定不能忘記ITER只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)！” 漢賈表示，ITER或許是迄今為止人類(lèi)所嘗試過(guò)的最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)。

中國(guó)的考量

像核聚變這樣的研究，任何一個(gè)國(guó)家都很難獨(dú)立完成，它遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆困難得多。

各國(guó)政府愿意共同出資參與ITER計(jì)劃，這與建造、運(yùn)行ITER的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)密不可分，通過(guò)國(guó)際合作，能夠集中全世界核聚變領(lǐng)域最好的科學(xué)家和工程師，而且可以共同分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。

2003年1月，中國(guó)政府正式批準(zhǔn)了加入ITER計(jì)劃談判進(jìn)程。然而，部分中國(guó)科學(xué)家激烈反對(duì)，以中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)物理學(xué)部為主的40多名院士上書(shū)中央，反對(duì)中國(guó)加入ITER，主要理由是經(jīng)費(fèi)投入過(guò)于巨大，當(dāng)時(shí)中國(guó)加入的話，要承擔(dān)的費(fèi)用超過(guò)10億美元。

贊成者卻認(rèn)為，中國(guó)對(duì)ITER項(xiàng)目的投入，70%將會(huì)以國(guó)內(nèi)制造的部件來(lái)支付，還有10%則由中方派出人員折算。這樣核算下來(lái)，中國(guó)真正需要支付外匯的部分僅占20%，且ITER建設(shè)周期長(zhǎng)達(dá)十年，分批支付，也不算特別昂貴。況且，該計(jì)劃在理論上的不確定性已逐步消除，可以依賴(lài)的科學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)穩(wěn)固。

從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，中國(guó)就以托卡馬克為主要研究途徑，先后建造了30多臺(tái)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。2006年建成的全球首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），把等離子放電持續(xù)時(shí)間提高到1000秒，大大超過(guò)此前幾十秒的裝置。

2005年6月，中、歐、日、韓、俄、美六方共同簽署了《ITER場(chǎng)址聯(lián)合宣言》，確定將ITER場(chǎng)址設(shè)在卡達(dá)哈什。2006年5月，在ITER計(jì)劃聯(lián)合實(shí)施協(xié)定正式簽署的前夕，印度火線加入。這印證了從國(guó)際主流決策看，ITER是受歡迎的。

中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心副主任丁明勤曾這樣描述中國(guó)加入ITER項(xiàng)目的好處：“以10%的投入，享受100%的知識(shí)產(chǎn)權(quán)”。

ITER項(xiàng)目的基本原則是各成員相互分享新增知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不在成員之外的第三國(guó)傳播。同時(shí)，也要尊重各成員的原有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以通過(guò)談判商定。

中國(guó)能否享受100%的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，還要視具體情況而定。一位參與ITER項(xiàng)目的資深專(zhuān)家分析稱(chēng)，現(xiàn)在大部分組件都是分頭采購(gòu)，供貨方可以直接宣稱(chēng)，其提供的設(shè)備組件具有專(zhuān)利。這就無(wú)法免費(fèi)共享了。

ITER工程的組件被拆分成22個(gè)采購(gòu)包，共97個(gè)子包，中國(guó)承擔(dān)了其中12個(gè)子包的制造任務(wù)，預(yù)計(jì)研制費(fèi)和加工費(fèi)達(dá)40億元。完成這些采購(gòu)包，有利于提高中國(guó)在超導(dǎo)、稀有金屬材料、高溫高電壓等眾多領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)和制造能力。

中方有20個(gè)人在ITER組織任職，所占比例僅5%，總數(shù)最少。中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所研究員萬(wàn)元熙曾表示，在ITER組織中，三分之二以上的核心科學(xué)、工程技術(shù)和技術(shù)管理領(lǐng)域幾乎沒(méi)有中國(guó)人任職，這必將影響到中國(guó)的權(quán)益。

能夠投入到項(xiàng)目中的人才，一朝一夕無(wú)法培養(yǎng)出來(lái)。其中，物理和工程技術(shù)方面的人才更缺乏。中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)應(yīng)用物理與研究中心主任賀賢土告訴《財(cái)經(jīng)》記者，除了加強(qiáng)自主培養(yǎng)，短期內(nèi)的扭轉(zhuǎn)方法就是海外引進(jìn)。

2007年出臺(tái)的《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》提出，中國(guó)在核電發(fā)展戰(zhàn)略方面將實(shí)行“三步走”，即熱中子反應(yīng)堆、快中子反應(yīng)堆、受控核聚變堆。

ITER的成功與否與第三步受控核聚變堆息息相關(guān)。即便ITER取得滿意結(jié)果，還要再經(jīng)過(guò)示范堆和原型堆核電站階段的驗(yàn)證，因此，最樂(lè)觀地估計(jì)是，聚變能的商業(yè)化應(yīng)用也在本世紀(jì)中葉或稍晚才有可能實(shí)現(xiàn)。

這樣的觀點(diǎn)在30年前就有，說(shuō)是“30年內(nèi)核聚變能夠商用”，現(xiàn)在，仍然說(shuō)是下一個(gè)30年。

不過(guò)，如果回顧一下人類(lèi)在過(guò)去幾十年內(nèi)取得的重大科技進(jìn)步，又會(huì)重拾信心。“這個(gè)計(jì)劃聚集了科技領(lǐng)域最聰明的人，我們一定會(huì)實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)?！?漢賈說(shuō)。