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“人造太阳”徘徊

国际热核聚变实验堆(ITER)遭遇资金和技术瓶颈。与此同时,中国企业将迎来价值50亿元人民币制造部件采购的招标机会

6月16日至17日,国际热核聚变实验堆(ITER)组织第六届理事会在中国苏州举行。会上,经费缺口、下一年度计划等关键议题均无果而终。正如屡拖未决的国际气候变化谈判,此次会议最大的“成果”,或许就是确定下一次会议何时举行。

ITER最初设定从2016年开始运行的计划,现在看来岌岌可危。而这个庞大的国际项目,在技术上也遇到了越来越多的拷问。人类要想获得取之不尽、用之不竭的聚变能,可能还需50年甚至100年以上的时间。

有人因此对这一项目的前景感到悲观。但支持者们认为,核聚变仍然是一种应对能源危机的好办法。

“笼中太阳”

模拟太阳内部的核聚变,是科学家们的梦想。核聚变是大自然最普遍的能量来源。从太阳到最遥远的恒星,氢原子核聚合为氦原子核的核聚变反应,提供了照亮整个宇宙的能量。

所谓核聚变,是由较轻的原子核聚合为较重的原子核,同时释放能量。核弹和核电站采用的则是核裂变反应,即较重原子核分裂为较轻原子核。与核裂变相比,核聚变需要的氢原子在宇宙中最为丰富,不用发愁原料来源,其核辐射小得多,也不会产生核废料。

人为控制核聚变的难度远远大于核裂变。这需要将氢的同位素氘和氚加热到极高温度,形成等离子体,然后限制在一个较小的空间内足够长的时间。聚变反应可以通过两种方式实现,一种是惯性约束,即用激光冲击燃料,让燃料急剧压缩,燃料在膨胀爆炸之前发生聚变反应;另一种是磁约束,即用形似中空面包圈的磁场组成“磁笼”,约束等离子体。前一种方法正是氢弹的原理,后一种方法则被称为托克马克。

在惯性约束核聚变领域,中国科学院上海光学精密机械研究所(下称上海光机所)和中国工程物理研究院已取得一定进展。但中国科学院院士、上海光机所研究员林尊琪告诉本刊记者,与磁约束相比,惯性聚变更为困难,效率真正上去还需要一段时间。

作为结束“冷战”的标志行动之一,前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在1985年日内瓦峰会上倡议启动国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)计划。次年,前苏联、美国、欧盟及日本开始筹建ITER。到2001年完成设计时,已耗资15亿美元。ITER的目标,是将50万千瓦的能量输出维持500秒。

美国一度退出计划,但后来重返谈判桌。中国、韩国和印度也先后加入。欧盟和日本为了ITER的选址问题曾经争得不可开交。2005年,法国卡达拉舍(Cadarache)战胜日本的六所村成为ITER建设地。作为交换条件,欧盟同意其中10%的所谓高技术部件从日本市场采购,日本人池田要(Kaname Ikeda)也成为ITER组织的总干事。

ITER计划大体分三个阶段进行,预计耗时35年,花费105亿欧元。第一阶段从2006年至2016年,为实验堆建设阶段,耗资约50亿欧元;第二阶段持续20年,是热核聚变操作实验阶段,预计耗资约50亿欧元;第三阶段历时5年,是实验堆拆卸阶段,耗资5亿欧元左右。

林尊琪说,采用磁约束路线的ITER装置开始运行后,会被中子污染,整个靶室都会被活化。因此,ITER退役后,将有五年的退活化时间。

这是全球最大范围的一次科学技术合作。欧盟承担45%的建设费用,中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国将各自承担9%的费用,同时平等分享所有相关资料及知识产权。

中国科技部ITER中心研究发展处杨长春对本刊记者说,实现聚变能的商业利用,大致需要经历六个阶段,包括概念研究、原理验证、性能拓展、实验开发、示范堆和商用堆阶段,以ITER计划为标志,说明磁约束方式的聚变能应用进入实验开发阶段,即第四个阶段。

一再拖延

当ITER组织的七方成员在2006年签署项目协议时,他们对预算的估计建立在2001年的设计方案基础上。但当工程真正要开始建造时,大家才发现预算估计远远低于实际情况。

根据ITER特别的预算安排,每个合作方必须参与建造反应堆的部件并将其运送到目的地。随着原材料成本和工作人员的增加,ITER成本直线上升,到2009年已超过130亿欧元。美国最初估计承担9亿欧元的费用,如今要支付的账单则高达18亿欧元。

2009年6月,七方在日本御津市召开的会议上同意关于ITER建设的修改方案:一个精简、朴素的反应堆将于2018年前生产出超热的氢等离子体,然后逐渐加入其他组分,到2026年制造出能量来源——氘和氚离子束。这比原先的计划推迟了近两年时间。

今年5月,欧盟表示其在2013年底前共需72亿欧元,其中有14亿欧元缺口,要求各成员国设法提供。但欧盟各国科技部长会议未能就此达成协议。考虑到成员国不愿追加投资,欧盟转而决定成立一个由欧盟现任主席国西班牙主持的工作组,研究走出财务危机的方法。该工作组将在7月提交报告。这也意味着在苏州举行此次的理事会基本上没有新的信息可供讨论。

钱不是惟一的问题,ITER还面临诸多技术挑战。

最近的计算机模拟研究发现,ITER核聚变产生的上亿度高温等离子对反应堆内壁的破坏作用超乎想象,为避免反应堆内壁熔化,必须更好地绝缘等离子体,这就需要更强大的脉冲磁场,并且改变反应堆内部结构设计。为弥补设计缺陷,核聚变实验的时间将再度推迟,至少要到2026年,这比原先的计划晚了整整十年。

ITER面临的另一个主要问题,是用什么容器容纳达到太阳内部温度10倍的高温等离子体。法国国家实验室主任塞巴斯蒂安·巴里巴(Sebastien Balibar)打了个比方,ITER想把太阳装到一个盒子里,但我们还不知道怎么做盒子。

在2007年前一直负责中方任务的中国科学院院士、郑州大学教授霍裕平对本刊记者表示,ITER本身就是个实验堆,许多拿不准的东西会在实验堆上解决,“但我不太赞成大幅度更改。后来欧盟做了大幅度更改,造成很大延期,大幅度增加经费。而且,ITER的管理系统变得比国际原子能组织还要复杂,也进一步增加了成本。”

麻省理工学院的聚变专家布鲁诺·科比(Bruno Coppi)认为,ITER是一个错误的实验,因为它太昂贵,耗时太长,而且不一定能够实现聚变。“气候变暖问题很严重,我们需要更快的试验。ITER必须承认它的局限性,必须承认它其实对聚变的贡献很小,要实现点火,需要不同的道路。”

科比对本刊记者表示,证明聚变能利用的可行性是一个非常复杂的过程,无法用一次实验来解决。在他看来,如果把这个任务细致地分解为点火、材料测试等一系列实验,聚变研究的时间表要短得多。

BBC甚至评论说,ITER这座将出现在法国南部的美丽建筑,或许会成为一个美好但不切实际想法的墓场。

负责ITER建设工作的赫伯特·霍特坎普(Norbert Holtkamp)则表示:“任何项目都可能失败,尤其当它是惟一的或是第一次的时候,任何人说一次试验不会失败,都是不负责任的。”

在苏州召开的理事会上,ITER总干事池田要透露,目前60%的采购准备已经完成,ITER组织总部基础设施正在建设,道路已经完工。

ITER装置及其附属设施占地40万平方米,有一艘战列舰那么重,达36000吨。ITER的第一批建筑将在今年7月开建,托克马克装置的基坑也将开挖。

在这次会议上,ITER委员会审核了各国提交的相关文件,包括2011年的年度计划,财务审计报告,ITER组织今后几年的预算、技术输出控制、和平利用与不扩散,以及初步的试验计划等。但委员会只通过了2009年的财务报告。

ITER成员国同意今年7月最后一周在项目建设地——法国卡达拉舍举行一次会议,届时全部成员将再次对这一计划进行彻底讨论。

尽管欧盟代表何塞·罗德里格斯(Jose Manuel Silva Rodriguez)表态,肯定能找到达成共同目标的最好方法。但欧盟届时能否针对现在的财务危机拿出一个清晰的解决方案,尚未可知。

中国角色

在参加ITER计划之前,中国国内有过激烈争论。据知情人士透露,当时有40位院士联名反对中国参与这一计划。赞成方与反对方争论的焦点主要有三个:一是ITER到底有没有希望,二是ITER到底做什么,三是工程上怎么办。“这些争论其实都很正常,问题在于争论都有非科学的背景。如果不是最高领导表态,还要继续争下去。”

中国最终决定参与ITER计划后,当时的项目首席科学家霍裕平表示,ITER计划旨在解决人类未来能源问题,这是中国参加该计划最主要的考虑。其次,这也有助于中国积累知识和培养队伍,成为首先实现热核聚变的国家之一,并在将来有能力自行设计建造下一代热核聚变示范堆。

他说,尽管有人担心中国与发达国家在该领域有一定差距,但此后的实践证明,中国完全有能力完成所分配的工作任务。

这是中国首次作为正式成员国参加国际大型科学合作计划。此前的国际空间站计划一直将中国排除在外,而中国参与的欧盟伽利略导航计划从某种程度上讲也是名不副实。知情人士对本刊记者说,“当时就是拿些钱拿些结果,并未进入技术圈子。”

2007年8月,中国正式以全权平等伙伴身份加入ITER计划。次年10月,中国国际核聚变能源计划执行中心在北京成立。

杨长春告诉本刊记者,中国参加ITER计划,比参加伽利略计划实惠得多,毕竟准备得比较充分。其中,位于合肥的EAST是世界上第一个全超导托克马克装置,温度可以达到千万度的级别,等离子体可以维持1000秒的约束时间,比ITER的设计时间还要长。

ITER计划的国内配套研究也于2008年正式启动,到现在已经有32个研究项目立项,涉及聚变堆的概念设计、聚变材料、混合堆设计等。

截至今年5月,中方与ITER组织签订了五个采购安排协议。承担ITER中国项目预研任务的中国科学院合肥分院等离子体物理研究所所长李建刚告诉本刊记者:“我们比较拿手的是超导部分,设计、性能和配置。当然我们不拿手的东西比拿手的更多。”

根据国际谈判结果,中方在建造阶段的出资额中,近80%属于实物投入,即在国内研制加工制造部件。另有20%左右则属于现金投入。由于成本大幅度增加,招标总额上升到约50亿元人民币,现金部分则维持在10亿元人民币左右。李建刚透露,目前还在对采购项目做预研工作,今后全国各地企业均可以来参加招标。

杨长春说,这些采购涉及ITER装置几乎所有关键系统,通过采购包任务的实施,将为中国未来自主设计、建造示范堆乃至商用堆奠定坚实的科学研究、工程设计和制造技术基础。

目前,核聚变距离商业化利用,依然非常遥远。林尊琪说, 一般认为聚变能利用至少要30年到50年,到底通过磁约束和惯性约束的哪条路线,现在“都说不上,都非常不容易。”

李建刚表示,化石能源早晚要花完,可再生能源大概只能解决20%,“必须要找出办法出来,聚变是前景比较好的办法,目前人类还没想出其他更好的办法。对人类文明历史来说,50年、100年都是很短的时间。”

本文来源于《新世纪》周刊 2010年第26期 出版日期2010年06月28日
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