讓核聚變項目重造一個太陽

新聞 08-29

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撰文：Jing Cao

自2006年成立以來，美國已經在ITER上投入了10億多美元

「有雙倍的錢，我們絕對可以把速度翻番」

在美國東田納西州綿延起伏的山丘上，一群科學家和工程師正忙於在地球上創造一個太陽。這裡是橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge NationalLaboratory)，該實驗室最初是曼哈頓計劃核裂變試驗的一部分。70多年後，這裡的100多名研究人員專註於原子硬幣的另一面—核聚變。他們說，與歐盟、俄羅斯和中國同行一起不用10年時間，就可以建立起一個可以滿足一座城市的全部能源需求並且零碳排放的反應堆所需技術的示範品。

橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge NationalLaboratory)

最大的障礙是資金

田納西州的這個項目與35個國家在法國南部進行合作的國際熱核聚變實驗反應堆計劃（International Thermonuclear ExperimentalReactor，簡稱ITER）有關。該領域的幾乎所有專家都表示這是一個靠譜的項目。各方的共識是，到2025年，這個科學合資企業應該能夠創造並且維持一個核聚變反應堆，產生比啟動時所耗更多的能源，這是世界的電廠朝著核聚變發電這一可持續之路邁進的重要一步。在上世紀40年代，美國耗資約200億美元建造了橡樹嶺。

「這不是空話，而是實實在在的現實，」在美國這家研究機構任職的等離子體物理學家奈德·索特霍夫(Ned Sauthoff)說，「科學原理已經得到了論證，現在就是要將其提升到工業規模」—5磅的氫（一種隨處可見的原料）可以產生與90節火車的煤所能產生的能量。

等離子體物理學家奈德·索特霍夫(Ned Sauthoff)

索特霍夫表示，世界核聚變能源在未來的最大障礙是資金。根據美國能源部2016年的一份報告，自2006年成立以來，美國已經在ITER上投入了10億多美元，但還剩下約35億美元的投入承諾尚未完成，同時對於聚變研究的聯邦投資也正在減少。至於下一年度的預算，特朗普政府建議國會的撥款金額還沒達到索特霍夫所說的能夠保證ITER在2025年走上正軌所需資金的一半。

68歲的索特霍夫帶著一種科學老師特有的氣質，他說：「有些事情的速度取決於興趣，而有一些事情則取決於錢。」他說話緩慢，但充滿熱情，左邊的眉毛有時會挑起，以示強調。「我不是說10倍的錢能讓我們做事的速度快10倍，」他說，「但是有雙倍的錢，我們絕對可以把速度翻番。」

自2006年成立以來，美國已經在ITER上投入了10億多美元，但還剩約35億美元的投入承諾尚未完成，同時對於聚變研究的聯邦投資也正在減少

甜甜圈形狀的反應堆

ITER的研究人員正在設計核聚變反應堆，以產生一系列自持核反應，也就是一種燃燒的等離子體。在反應堆核心內部，重氫原子（那些攜帶一個或兩個額外中子的氫原子）將被加壓、加熱至1億至1.5億攝氏度。在這種等離子體狀態下，原子的組成粒子開始更無節制、更快的速度移動，使得通常彼此排斥的粒子足夠接近發生聚變。這個反應能產生大量的熱量，常規的發電廠渦輪機就可以將其轉換成電力。

太陽以強大的重力來捕獲並約束這種等離子。ITER計劃使用一個甜甜圈形狀的反應堆來達到同樣的效果，它的名字叫托卡馬克(Tokamak)，這個反應堆包含使用巨大超導磁體產生的強電磁場的能量。在過去幾十年建成的200多個托卡馬克中，沒有一個產出的能量超過自身消耗。ITER是迄今為止最大的托卡馬克，也是第一個旨在「自給自足」的反應堆。研發者稱，用50兆瓦讓反應堆啟動，就可以產生500兆瓦的電力。在可以預見的未來，它可以為一座有37.5萬個家庭的城市提供電力，而產生的廢料只有現在核裂變發電站的一小部分。

托卡馬克(Tokamak)——一個甜甜圈形狀的反應堆

雖然在數十年的時間裡，核聚變一直是大眾想像力中比較艱深的部分，但在20世紀70年代石油危機之後，對於創建一個燃燒的等離子體的興趣達到頂峰。自那以後，因為資金問題，一些大有希望的實驗被迫停止，並不止一次地阻礙相關領域的進步，曾親自經歷其中一些挫敗的索特霍夫說道。今天，美國85%的能源消費仍然來自石油、天然氣和煤炭這些主要的碳氫化合物。

計劃趕不上變化

與太陽能和風力發電一樣，美國豐富的能源儲備以及與化石燃料相關的利益，使得該國不會將核聚變發電作為當務之急。向政府官員提供核問題建議的核心解決方案諮詢公司(Core Solutions Consulting)負責人塞繆爾·布林頓(Samuel Brinton)表示，立法者也很難把錢投在長期項目上。即使ITER的資金沒出太大問題，計劃也往往趕不上變化。該項目原本應該在2013年之前產生等離子體，但一直受成本超支、技術延誤以及美國政府問責局(U.S.Government Accountability Office)所謂的管理缺陷的困擾。