造颗太阳当能源

七猫

如果一切顺利的，人类历史上最复杂的机器会在几年之内启动。这个名叫国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER）的机器将给人类提供取之不竭的能源。

ITER坐落在法国南部阿尔卑斯森林里，等全部建成以后，它该有100英尺高，重达23000吨，相当于埃菲尔铁塔的两倍重量。在它的核心部位，高精尖仪器密集有序地排列组合，开动的时候，这里能产生一团炽热的氘气，以超音速的速度旋转。最终这团氘气将成为等离子体，而它的温度也将达到20亿摄氏度，是太阳核心温度的10倍。

由于高温的缘故，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。

整个过程，实际上就是在模拟太阳的核聚变。人类掌握核聚变技术已经有几十年了，但如何控制聚变过程却是一道难题。聚变中将产生大量的热量、迦马射线、X光和向四面八方逃逸出来的中子。地球上没有任何物质材料能锁住它们，所以ITER将会用世界上最大的超导装置维持着约束磁场，让它们无处逃匿。热能和其他副产品将全部被困在约束磁场中，所以在反应堆核心外不到一米的地方，温度就会降低到零下269度，几乎跟宇宙深度的温度一致。

如果成功的话，ITER会在500秒的时间内产生大约5亿瓦的核聚变能量。尽管ITER产生的能量不会直接转换成电力，但它的成功会帮助人类造出商用反应堆，而这会彻底改变地球的能源情况。

七巨头博弈

ITER的构想最早提出于1985年。在当年的日内瓦峰会上，美国总统里根和苏联主席戈尔巴乔夫同意合作，“找到一种取之不尽用之不竭的能源，以造福全人类”。

最初，ITER计划仅确定由美国、俄罗斯、欧盟和日本四方参加，独立于联合国原子能委员会（IAEA）之外，总部分设美、日、欧三处。那个时候ITER还没有正式的组织，各方面条件都很不成熟。1994年，美国国内率先对ITER发起了质疑，认为这个需要花费上百亿美元的计划很难成功，而且就算成功了，在短期内也无法取得回报。1999年，美国退出了ITER计划。

欧日俄三方继续合作，并在2001年完成了ITER装置新的工程设计（EDA）及主要部件的研制，预计建造费用为50亿美元（1998年价），建造期8至10年，运行期20年。三方分别组织了独立的审查，都认为设计合理，基本上可以接受。随后，美国在一大批国内学者的呼声下重新加入，中国、韩国和印度也加入了进来。最终七个成员国政府于2006年5月25日草签了建设ITER的国际协定。

在ITER的字典里，这些成员国都是它下属的机构。与其他的科研合作不同，ITER不由任何一个国家全权负责，也没有国家把控中央预算。每一个国家都需要完成ITER的部分采购包，而这些国家便需要对自己的采购包负全责。从研发到制造再到测试，每完成一个部件，就要交付到法国总部等待组装。

在ITER总部，有一个环形会议桌，各国代表会在这里坐下开会，而他们每人前面都有一面国旗标注身份。这样的场景很像联合国安理会，但在核工程领域，外交的作用是有限的。大机器能否按预期正常工作，答案非黑即白，在这里，退让和礼貌都会成为灾难。ITER需要成千上万个部件，其中许多本身就是巨大的机器，而它们需要完美地排列组装起来，交付之后的任何瑕疵都极难修补。归根到底，这个项目的成功要落在一个简单的问题上：所有部件都能兼容吗？

负责把这些零碎的拼图整理到一块儿的，是ITER的设计整合总监斯特凡诺·乔奇奥。他就在ITER总部旁边的临时建筑里办公，工作任务极为繁重，每天像一粒原子一样东奔西跑，穿梭在各种会议之间。他常常说话说到一半，接上一句“好了”，好像这样就能让对方理解了；有时候，他的朋友在路上遇到他，会无奈地把他截停，顺手帮他理一理皱得不成样子的衣领。

在乔奇奥看来，许多设计冲突缘于项目本身的政治基础。像这样一个大的科研项目，往往都是牵一发而动全身，只要你改了一个部分，那么其他的的部分也需要改動。问题是，这些部分并不是由一个统一部门来设计制造的：为了能获取技术经验，各个成员国从一开始就纷纷抢着要制造最核心最要命的部位；其结果，就是大家把最复杂的部分进行了一番瓜分，各国分担合作。比如说，ITER的真空腔本来应该由一家独立负责，以保持设计和制造的完整性，然而为了政治上的便宜行事，它被分成了9个部分，其中2个部分在韩国生产，另外7个由欧盟负责。这样一来，当然会在时间和金钱两方面产生额外的沟通成本。另外，这样要求坚固稳妥的机器，某些部分本该焊接而成，但欧盟方面为了节省成本，却决定采用螺栓结合。对于乔奇奥和他的整合团队来说，这都是政治拖累科技所带来的麻烦。

走进核心

ITER的本质是一个巨大的托卡马克。托卡马克（Tokamak）不是谁的名字，而是由环形、真空室、磁、线圈这四种东西的俄文名拼凑而成。它是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器，最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在1950年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

在托卡马克装备里，中心螺管是重要一环。所谓螺管，跟大家在中学物理课上做的实验并没有太大差别，就是将金属丝缠绕在金属棒上，然后再将铁丝连接到电池两级，等电流通过线圈时，磁场就自然产生。只不过，ITER中心螺管是一个重达1000吨且高达40英尺的大柱子，矗立在真空室的中间，而缠绕在它外面的线圈长度将超过20英里。线圈材质将选用铌三锡。这一材料十分罕见，而且很少用于大型工业项目，但它可以产生极强的磁场，是地球磁场的26万倍。

对于ITER计划来说，中心螺管既是模型缺陷的缩影，又体现了其克服缺陷的能力。

从技术上来说，要建造完美的中心螺管就不是件容易的事情。为了防止螺管一飞冲天，人们不得不用1080根螺栓把它的底部和顶部固定好。再说铌三锡，那也是种难以处理的材料，它只有被高温烤过以后才能显示出其超导特性，所以人们必须用铌三锡细丝造成的电缆绞合成一个组件，放进氩气里加热数日。这些细丝，每根直径都不足1毫米，它们跟铜交织缠绕，在高温中，它们将就此定型，无法再弯曲。

各个成员国之间的明争暗斗更让事情雪上加霜。铌三锡细线分包给了六个国家，而这六个国家的制造工艺大不相同，甚至连外形都有很大差别，乔奇奥将其形容为“一场噩梦”。日本参与过中心螺管的原型设计，这会儿便也想在里面分一杯羹。2010年，两家日本公司把样品送到了瑞士的检测结果，结果惨不忍睹—ITER运行后，螺管需要经受6万次脉冲，但日本产的电缆只经受了6000次就坏了。工程师们免不了忧心：难道ITER竟要死在这里？

官员们担心这会令进度拖得太慢，他们找到了一家能够供应铌三锡细线的美国公司。2012年，这家公司制造的样品在测试中表现良好，于是ITER的官员们敦促日本从这家美国公司那里买材料，这样能最快也最有效地解决问题。“但你怎么能让日本人花大价钱去美国那里买超导材料呢？”一位前官员说，因为日本人跟美国人在这个领域有激烈的竞争关系。果不其然，日本人拒绝了。最后，工程师们试着将日本的电缆扭得更紧，其后又经过了两年多的讨论和试验，日本的电缆终于通过了测试。“全世界都松了一口气，”那位前官员说。

中心螺管的建筑承包，则被ITER外包给了一家名叫“通用原子”的美国公司。今年5月，日本将开始向通用原子运送超导体，后者需要在2018年前完成6个组建的组装制造。届时，每个组件的周长都将达14英尺，需要用30个轴承驱动的卡车装载，运送到德州的加尔维斯顿港，然后在那里送上去法国福斯港的轮船，最后拖到托卡马克的组装中心。

组装中心的高度是按照中心螺管建造的。一旦组件按照顺序堆叠好，中心螺管会被装在屋顶一个吊钩上。起重机把螺管垂直吊起，一点一点地送到托卡马克装置预定安装的位置，然后移到中心真空室里。这是精确的艺术，哪怕是宽了一毫米，它都无法装进为其量身定做的圆柱体里。在装配的过程中，每一个变量也都经过了精确的计算：在承受巨大重量时，电缆会被拉伸的长度，起重机在运动时的势能，磁体摇晃的幅度，甚至是当天的风速及其会对起重机的影响，都已然全盘纳入计算。因为这个工作不允许出任何的差错。

按下红色按钮

等到ITER启动的时候，它究竟会给我们带来什么？答案与所有前沿实验一样，没有人真的知道，因为在此之前，没有任何人曾经制造出这种规模的大型托卡马克装置。它真的能制造出一颗人造太阳吗？我们能有效利用它带来的效能吗？它会给地球带来什么伤害吗？

ITER在运行的时候，它的中央大脑，也就是那个被称为“CODAC”（Coordination of Operating Data by Automatic Computer，自动化计算机进行的操作数据协调）的计算机系统，将监测 12 万条即时信息，内容包括离子体的温度，电磁活动的波动，以及这些因素对机器的影响等等。到时候，世界各地的物理学家将使用超级电脑来协助预测原子粒子的行为。

1980年代，托卡马克装置的性能提升一度遭遇瓶颈，因为等离子边缘的狂暴无法控制：电磁旋涡将能量从超高温核心中带出来的过程散漫而且难以预测，粒子冲击到器壁，导致温度降低，核聚变可控程度也随之降低。但是，1982年德国研究者无意中发现，在恰当的加热条件下，等离子体边缘部分的密度和温度分布会快速变陡，从而形成台基状的边缘输运垒（edge transport barrier，简称ETB）。这种模式被称为H模（H-Mode），也就是高约束模式。我们在这里无需理解什么是高约束模式，事实上，现在物理学家们对其存在原因和工作原理也只有大概的理解。我们只需要知道，保持这种高约束模式将是托卡马克装置成败的关键之一：如果边缘输运垒承受的压力过大，等离子就会爆出火苗，还必须要扑灭它。

ITER能有足够的能量从低约束模式转换到高约束模式吗？我们目前还不得而知。ITER的热量驱动系统将比目前世界上最大的托卡马克装置还要大三倍，它将以一种从未验证过的方式运行，它会发生什么，我们无法预料。

即使热量驱动系统能顺利运作，那也许也并不足够。现有科学理论只能提供大体的指导，科学家们并不能保证ITER一定能达到高约束模式。误差范围已然大得可怕，如同ITER总部的物理学家乔·斯奈普所言：“我们已经试了一次又一次。这个我们，指的是全世界用各种不同机器研究核聚变的专家们，我们都努力想减小误差范围，但我们真的做不到。高约束模式受到各种各样的因素影响，我们甚至不知道这些因素都是什么。”

到目前为止，研究这个热量驱动系统所花费的人力物力极大，光硬件设备就超过10亿美元。有些工程师怀疑，这已经远远超过了其在托卡马克装置中的作用。然而，有更多的人相信，我们应该继续穷尽一切可能去吃透它的原理，因为这就是ITER作为大科研试验的终极目标：寻找一条达到梦想的道路。

核聚变之美

由于这个工程过于前沿，所以技术上的参考资料也没有统一，许多概念都有不同的表达方式。为了防止ITER计划成为科学界的“巴别塔”，乔奇奥要求所有参与其中的科学家都使用统一术语，如有必要的话，甚至要求使用同一种语言。当然，统一度量衡也是必须的。这自然是个吃力不讨好的活，但乔奇奥对这个项目带有一种使命感，他必须要这么做。

几乎所有参与这个计划的人，都有这样的使命感。在ITER总部，尽管烦心事一件接着一件，项目完成日期也是一拖再拖，但这种使命感却像约束磁场一样，将悲观情绪管束压制起来。有一天下午，一位物理学家跟记者谈起自己的工作，他半开玩笑地提到《星际迷航》里的“企业号”也是由核聚变提供动力的，然后，原本无精打采的他突然神采飞扬起来。

乔奇奥也为之触动。他最早是研究核裂变的，当时能源界流传着一种“石油峰值论”，说地球马上会面临能源匮乏的局面。“我觉得核能可以解决这个问题，”他说，“但过了几年，我得说，切尔诺贝利事故影响了我，而且全世界都开始放缓对核电站的建造。在意大利，我参与的项目慢慢走到了终点，虽然没完全停止，但很显然，它已经无法得到新的政策支持了。”在这个时候，他得到一个机会，跳槽到了欧联磁核聚变设备（Joint European Torus，简称JET）计划，就此走上研究核聚变的道路。然后，就是ITER了。

“核聚变看起来能取得成功，它是一种清洁能源，能取代核裂变，”乔奇奥说。确实，与核裂变相比，核聚变不太可能发生大规模泄漏事件。因为核聚变的条件过于苛刻，只要约束磁场有任何不稳定，反应炉里的燃料立刻就會丧失反应能力，更不要说从磁场中泄露出来了。另外，核聚变的原料可以从海水中获得，比核裂变的原料要靠谱很多。它所产生的废料氚，虽然也有放射性，但其半衰期仅为12年，远比核裂变废料动辄上百万年的半衰期要安全。

当然，核裂变已经是现实了，但可控核聚变依然在路上。所以地球上科技能力最强的几个大国才要联合起来进行ITER计划。这个计划将花费上百亿美元甚至更多（其中欧盟将承担50%，其余六方分别承担10%，超出的10%用于支付建设过程中由于物价等因素造成的超支），但一旦成功，将为未来的核聚变商业化打下基础，而人类也终于可以拥有一种取之不尽用之不竭的清洁能源。