造顆太陽當能源

七貓

如果一切順利的，人類歷史上最復雜的機器會在幾年之內啟動。這個名叫國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，簡稱ITER）的機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23000噸，相當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，開動的時候，這里能產生一團熾熱的氘氣，以超音速的速度旋轉。最終這團氘氣將成為等離子體，而它的溫度也將達到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，為核子的碰撞準備了條件。當等離子體的溫度達到幾千萬攝氏度甚至幾億度時，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同時還有足夠的密度和足夠長的熱能約束時間，這種聚變反應就可以穩(wěn)定地持續(xù)進行。

整個過程，實際上就是在模擬太陽的核聚變。人類掌握核聚變技術已經有幾十年了，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材料能鎖住它們，所以ITER將會用世界上最大的超導裝置維持著約束磁場，讓它們無處逃匿。熱能和其他副產品將全部被困在約束磁場中，所以在反應堆核心外不到一米的地方，溫度就會降低到零下269度，幾乎跟宇宙深度的溫度一致。

如果成功的話，ITER會在500秒的時間內產生大約5億瓦的核聚變能量。盡管ITER產生的能量不會直接轉換成電力，但它的成功會幫助人類造出商用反應堆，而這會徹底改變地球的能源情況。

七巨頭博弈

ITER的構想最早提出于1985年。在當年的日內瓦峰會上，美國總統(tǒng)里根和蘇聯(lián)主席戈爾巴喬夫同意合作，“找到一種取之不盡用之不竭的能源，以造福全人類”。

最初，ITER計劃僅確定由美國、俄羅斯、歐盟和日本四方參加，獨立于聯(lián)合國原子能委員會（IAEA）之外，總部分設美、日、歐三處。那個時候ITER還沒有正式的組織，各方面條件都很不成熟。1994年，美國國內率先對ITER發(fā)起了質疑，認為這個需要花費上百億美元的計劃很難成功，而且就算成功了，在短期內也無法取得回報。1999年，美國退出了ITER計劃。

歐日俄三方繼續(xù)合作，并在2001年完成了ITER裝置新的工程設計（EDA）及主要部件的研制，預計建造費用為50億美元（1998年價），建造期8至10年，運行期20年。三方分別組織了獨立的審查，都認為設計合理，基本上可以接受。隨后，美國在一大批國內學者的呼聲下重新加入，中國、韓國和印度也加入了進來。最終七個成員國政府于2006年5月25日草簽了建設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構。與其他的科研合作不同，ITER不由任何一個國家全權負責，也沒有國家把控中央預算。每一個國家都需要完成ITER的部分采購包，而這些國家便需要對自己的采購包負全責。從研發(fā)到制造再到測試，每完成一個部件，就要交付到法國總部等待組裝。

在ITER總部，有一個環(huán)形會議桌，各國代表會在這里坐下開會，而他們每人前面都有一面國旗標注身份。這樣的場景很像聯(lián)合國安理會，但在核工程領域，外交的作用是有限的。大機器能否按預期正常工作，答案非黑即白，在這里，退讓和禮貌都會成為災難。ITER需要成千上萬個部件，其中許多本身就是巨大的機器，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。歸根到底，這個項目的成功要落在一個簡單的問題上：所有部件都能兼容嗎？

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

在喬奇奧看來，許多設計沖突緣于項目本身的政治基礎。像這樣一個大的科研項目，往往都是牽一發(fā)而動全身，只要你改了一個部分，那么其他的的部分也需要改動。問題是，這些部分并不是由一個統(tǒng)一部門來設計制造的：為了能獲取技術經驗，各個成員國從一開始就紛紛搶著要制造最核心最要命的部位；其結果，就是大家把最復雜的部分進行了一番瓜分，各國分擔合作。比如說，ITER的真空腔本來應該由一家獨立負責，以保持設計和制造的完整性，然而為了政治上的便宜行事，它被分成了9個部分，其中2個部分在韓國生產，另外7個由歐盟負責。這樣一來，當然會在時間和金錢兩方面產生額外的溝通成本。另外，這樣要求堅固穩(wěn)妥的機器，某些部分本該焊接而成，但歐盟方面為了節(jié)省成本，卻決定采用螺栓結合。對于喬奇奧和他的整合團隊來說，這都是政治拖累科技所帶來的麻煩。

走進核心

ITER的本質是一個巨大的托卡馬克。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環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

在托卡馬克裝備里，中心螺管是重要一環(huán)。所謂螺管，跟大家在中學物理課上做的實驗并沒有太大差別，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，等電流通過線圈時，磁場就自然產生。只不過，ITER中心螺管是一個重達1000噸且高達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度將超過20英里。線圈材質將選用鈮三錫。這一材料十分罕見，而且很少用于大型工業(yè)項目，但它可以產生極強的磁場，是地球磁場的26萬倍。

對于ITER計劃來說，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特性，所以人們必須用鈮三錫細絲造成的電纜絞合成一個組件，放進氬氣里加熱數日。這些細絲，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。

各個成員國之間的明爭暗斗更讓事情雪上加霜。鈮三錫細線分包給了六個國家，而這六個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“一場噩夢”。日本參與過中心螺管的原型設計，這會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結果，結果慘不忍睹—ITER運行后，螺管需要經受6萬次脈沖，但日本產的電纜只經受了6000次就壞了。工程師們免不了憂心：難道ITER竟要死在這里？

官員們擔心這會令進度拖得太慢，他們找到了一家能夠供應鈮三錫細線的美國公司。2012年，這家公司制造的樣品在測試中表現(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?！暗阍趺茨茏屓毡救嘶ù髢r錢去美國那里買超導材料呢？”一位前官員說，因為日本人跟美國人在這個領域有激烈的競爭關系。果不其然，日本人拒絕了。最后，工程師們試著將日本的電纜扭得更緊，其后又經過了兩年多的討論和試驗，日本的電纜終于通過了測試?！叭澜缍妓闪艘豢跉猓蹦俏磺肮賳T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送超導體，后者需要在2018年前完成6個組建的組裝制造。屆時，每個組件的周長都將達14英尺，需要用30個軸承驅動的卡車裝載，運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，中心螺管會被裝在屋頂一個吊鉤上。起重機把螺管垂直吊起，一點一點地送到托卡馬克裝置預定安裝的位置，然后移到中心真空室里。這是精確的藝術，哪怕是寬了一毫米，它都無法裝進為其量身定做的圓柱體里。在裝配的過程中，每一個變量也都經過了精確的計算：在承受巨大重量時，電纜會被拉伸的長度，起重機在運動時的勢能，磁體搖晃的幅度，甚至是當天的風速及其會對起重機的影響，都已然全盤納入計算。因為這個工作不允許出任何的差錯。

按下紅色按鈕

等到ITER啟動的時候，它究竟會給我們帶來什么？答案與所有前沿實驗一樣，沒有人真的知道，因為在此之前，沒有任何人曾經制造出這種規(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？它會給地球帶來什么傷害嗎？

ITER在運行的時候，它的中央大腦，也就是那個被稱為“CODAC”（Coordination of Operating Data by Automatic Computer，自動化計算機進行的操作數據協(xié)調）的計算機系統(tǒng)，將監(jiān)測 12 萬條即時信息，內容包括離子體的溫度，電磁活動的波動，以及這些因素對機器的影響等等。到時候，世界各地的物理學家將使用超級電腦來協(xié)助預測原子粒子的行為。

1980年代，托卡馬克裝置的性能提升一度遭遇瓶頸，因為等離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測，粒子沖擊到器壁，導致溫度降低，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)，在恰當的加熱條件下，等離子體邊緣部分的密度和溫度分布會快速變陡，從而形成臺基狀的邊緣輸運壘（edge transport barrier，簡稱ETB）。這種模式被稱為H模（H-Mode），也就是高約束模式。我們在這里無需理解什么是高約束模式，事實上，現(xiàn)在物理學家們對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鍵之一：如果邊緣輸運壘承受的壓力過大，等離子就會爆出火苗，還必須要撲滅它。

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

即使熱量驅動系統(tǒng)能順利運作，那也許也并不足夠。現(xiàn)有科學理論只能提供大體的指導，科學家們并不能保證ITER一定能達到高約束模式。誤差范圍已然大得可怕，如同ITER總部的物理學家喬·斯奈普所言：“我們已經試了一次又一次。這個我們，指的是全世界用各種不同機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?！?/p>

到目前為止，研究這個熱量驅動系統(tǒng)所花費的人力物力極大，光硬件設備就超過10億美元。有些工程師懷疑，這已經遠遠超過了其在托卡馬克裝置中的作用。然而，有更多的人相信，我們應該繼續(xù)窮盡一切可能去吃透它的原理，因為這就是ITER作為大科研試驗的終極目標：尋找一條達到夢想的道路。

核聚變之美

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

幾乎所有參與這個計劃的人，都有這樣的使命感。在ITER總部，盡管煩心事一件接著一件，項目完成日期也是一拖再拖，但這種使命感卻像約束磁場一樣，將悲觀情緒管束壓制起來。有一天下午，一位物理學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”也是由核聚變提供動力的，然后，原本無精打采的他突然神采飛揚起來。

喬奇奧也為之觸動。他最早是研究核裂變的，當時能源界流傳著一種“石油峰值論”，說地球馬上會面臨能源匱乏的局面?！拔矣X得核能可以解決這個問題，”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核電站的建造。在意大利，我參與的項目慢慢走到了終點，雖然沒完全停止，但很顯然，它已經無法得到新的政策支持了?！痹谶@個時候，他得到一個機會，跳槽到了歐聯(lián)磁核聚變設備（Joint European Torus，簡稱JET）計劃，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，與核裂變相比，核聚變不太可能發(fā)生大規(guī)模泄漏事件。因為核聚變的條件過于苛刻，只要約束磁場有任何不穩(wěn)定，反應爐里的燃料立刻就會喪失反應能力，更不要說從磁場中泄露出來了。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。它所產生的廢料氚，雖然也有放射性，但其半衰期僅為12年，遠比核裂變廢料動輒上百萬年的半衰期要安全。

當然，核裂變已經是現(xiàn)實了，但可控核聚變依然在路上。所以地球上科技能力最強的幾個大國才要聯(lián)合起來進行ITER計劃。這個計劃將花費上百億美元甚至更多（其中歐盟將承擔50%，其余六方分別承擔10%，超出的10%用于支付建設過程中由于物價等因素造成的超支），但一旦成功，將為未來的核聚變商業(yè)化打下基礎，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。