可控核聚變模擬太陽中的核反應(yīng)，被視為理想的清潔能源，目前該領(lǐng)域在建的規(guī)模最大的研發(fā)項目——國際熱核聚變實驗堆（ITER）也被寄予厚望。它將幫助科學(xué)家延長可控核聚變反應(yīng)的持續(xù)時間，測試相關(guān)技術(shù)，最終實現(xiàn)穩(wěn)定供能。

2023 年 6 月 2 日，ITER 施工現(xiàn)場。圖片來源：iter.org

但是另一方面，ITER 的建設(shè)也是對工程技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)。自從項目啟動以來，它的開機(jī)時間多次推遲，預(yù)算也不斷增加。最近，《科學(xué)美國人》（Scientific American）記者查爾斯·塞費(fèi)（Charles Seife）報道，ITER 很可能無法在 2025 年如期啟動，甚至沒有人知道明確的時間計劃和因此增加的預(yù)算支出[1]。

ITER 沒有回應(yīng)塞費(fèi)的采訪請求，但是在近日宣布將于 2024 年公布新的時間表[2]。

01

可控核聚變

十年又十年

ITER 實驗設(shè)施位于法國南部，項目于 2006 年啟動，最初計劃在 2016 年開機(jī)，預(yù)算為 50 億歐元（約合人民幣 500 億元）。這也是人類歷史上規(guī)模最大的科研合作項目之一，共有 35 個國家參與，由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實施。中國承擔(dān)了 ITER 約 9% 的工作，包括一些關(guān)鍵部件的研發(fā)生產(chǎn)。

然而，這項工程的復(fù)雜程度一再超出了最初的預(yù)想。ITER 最近一次公布時間計劃是在 2016 年，當(dāng)時預(yù)計將在 2025 年啟動實驗，2035 年開始進(jìn)行氘-氚聚變反應(yīng)[3]?！犊茖W(xué)美國人》報道指出，ITER 的許多核心部件交付時間都比預(yù)期晚了一兩年，有的甚至還要更久。ITER 核心設(shè)備——托卡馬克聚變反應(yīng)堆原本計劃在 2018 年開始組裝，實際組裝時間是 2020 年 7 月。

2020 年發(fā)生的新冠疫情對世界各國的科研、生產(chǎn)和海運(yùn)造成了沖擊，進(jìn)而影響了 ITER 的進(jìn)度[4]。還有部分部件到位后出現(xiàn)問題，需要維修或更換。2022 年 1 月，法國核安全局（ASN）叫停了 ITER托卡馬克的整體組裝，認(rèn)為它在支撐結(jié)構(gòu)和輻射防護(hù)方面不符合安全標(biāo)準(zhǔn)[5]。ITER 表示將處理問題，確保相應(yīng)部件達(dá)到設(shè)計要求。截至目前仍然沒有公開信息說明組裝何時重新開始。

ITER 托卡馬克裝置示意圖。圖片來源：iter.org

今年 1 月，ITER主任皮耶特羅·巴拉巴斯基（Pietro Barabaschi）對法新社（AFP）透露，ITER 可能無法在 2025 年如期啟動[6]?！犊茖W(xué)美國人》記者塞費(fèi)批評 ITER 沒有及時披露項目進(jìn)度。根據(jù)他通過法律途徑（lawsuit）獲得的內(nèi)部文件，ITER 的完工時間現(xiàn)無法確定，可能無法實現(xiàn) 2025 年點火的目標(biāo)。

設(shè)備更換和項目延期也導(dǎo)致 ITER 的開支越發(fā)高昂，最新的公開預(yù)算已高達(dá) 200 億歐元（約合人民幣 1565 億元）。目前 ITER 項目網(wǎng)站上顯示“最新時間表和預(yù)算計劃仍在審核中”。

02

大科學(xué)項目的窘境

ITER 又被稱為最大的“人造太陽”?？煽睾司圩兊姆磻?yīng)原理與太陽內(nèi)部情況類似：在熾熱的溫度下，氘和氚反應(yīng)產(chǎn)生氦和中子，同時釋放出大量能量。和現(xiàn)有基于核裂變的核電技術(shù)相比，可控核聚變不僅效率更高，產(chǎn)生輻射污染的風(fēng)險也大大降低。它不產(chǎn)生難以處理的放射性核廢料，并且由于反應(yīng)條件苛刻，在設(shè)備故障時就會自發(fā)停止反應(yīng)。

但是，由于發(fā)生聚變反應(yīng)的等離子體溫度極高，性質(zhì)不穩(wěn)定，這個過程對反應(yīng)條件的要求極其苛刻。可控核聚變的實現(xiàn)方案主要有三種方式：引力約束、慣性約束和磁約束，其中磁約束可控核聚變裝置又叫作托卡馬克（磁線圈環(huán)形真空室，Tokamak）。它的結(jié)構(gòu)就像一個巨大的甜甜圈，借助強(qiáng)大磁場將發(fā)生核聚變反應(yīng)的等離子體約束在內(nèi)部，而不與容器發(fā)生直接接觸。

ITER 建成后將成為全世界最大的托卡馬克裝置，整體重量達(dá) 23000 噸[7]。環(huán)形空腔內(nèi)的等離子體溫度將達(dá)到 1.5 億℃，達(dá)到太陽核心溫度的 10 倍?？涨煌獠康?span id="gkep7e9w" class="candidate-entity-word" data-gid="19515700">超導(dǎo)磁體則需要在接近 -270℃（液氦溫度）的極低溫度運(yùn)行?！氨饍芍靥臁倍疾蛔阋孕稳葸@樣的溫差。

中國為 ITER 加工用于超導(dǎo)磁體的饋線，這些部件需要在極低溫到室溫的過渡區(qū)間內(nèi)工作[8]。圖片來源：iter.org

為了滿足這樣苛刻的實驗條件，ITER 對工程技術(shù)的要求和建設(shè)成本非常高。所以，像 ITER 這樣的大科學(xué)項目往往以多國合作的形式進(jìn)行，分?jǐn)傃邪l(fā)任務(wù)和資金投入，最終共享研究成果。然而，這樣的合作模式也對管理造成了挑戰(zhàn)，超支和屢屢“放鴿子”的狀況并不罕見。一個有名的“鴿王”就是詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）。它由美國、歐洲和加拿大共同研發(fā)，最初計劃用十年完成，最后花了二十年，預(yù)算也從 10 億美元一路上漲到超過 100 億美元。

JWST 最終于 2021 年底發(fā)射升空，已經(jīng)幫助天文學(xué)家作出了不少新的發(fā)現(xiàn)。但《科學(xué)美國人》報道依然忍不住提醒大家：JWST 就位后立即就能提供觀測數(shù)據(jù)，而 ITER 啟動之后還需要花十年時間反復(fù)實驗，才能進(jìn)行關(guān)鍵的氘-氚聚變反應(yīng)。

5 月 23 日，美國航天局（NASA）發(fā)布 M74 星系最新圖像，由韋布望遠(yuǎn)鏡與其他望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)合成。圖片來源：NASA

大科學(xué)裝置失敗的典型案例大概就是半途而廢的美國超導(dǎo)超級對撞機(jī)（SSC）。該項目一共有包括中國在內(nèi)的 15 個國家和地區(qū)參與，后來由于預(yù)算攀升被叫停。此時，項目建設(shè)已經(jīng)花了 20 億美元[9]。這一決策曾經(jīng)使物理學(xué)界深感不安。知名美籍華裔物理學(xué)家李政道稱，SSC 的停工之日是美國科學(xué)史上黑色的一天[9]。

當(dāng)年 SSC 的設(shè)計體量和反應(yīng)能量達(dá)到歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的 4 倍。SSC 主任羅伊·施維特斯（Roy Schwitters）認(rèn)為，如果這個項目能堅持下去，物理學(xué)家或許能夠提前十年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子[10]。

03

“制造太陽”的科學(xué)家

盡管 ITER 項目一再受挫，但可控核聚變領(lǐng)域近年來仍然取得了許多重大進(jìn)展。首先是實現(xiàn)了“能量凈增益”，即輸出能量大于輸入能量?？煽睾司圩兎磻?yīng)條件苛刻，啟動和維持反應(yīng)需要大量的能量，所以在過去六十多年中，反應(yīng)消耗的能量一直比產(chǎn)出要多。直到 2022 年 12 月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）團(tuán)隊才扭轉(zhuǎn)局面。

LLNL 基于慣性約束技術(shù)，在國家點火設(shè)施（NIF）輸入 2.05 兆焦的能量，產(chǎn)生的能量為 3.15 兆焦，凈增益超過了 1[11]。雖然這些能量只夠燒開水，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足應(yīng)用需求，但這仍然是一項里程碑式的成就，被譽(yù)為“可控核聚變的圣杯”。在未來，ITER 的目標(biāo)是將輸出能量與輸入能量的比值提升到 10 倍以上。

為了實現(xiàn)穩(wěn)定供應(yīng)能源的前景，基于磁約束技術(shù)的ITER還需要滿足兩個條件：一是反應(yīng)功率足夠大；二是能夠長時間運(yùn)行。在這些方面，中國科學(xué)家也在不斷刷新紀(jì)錄。2022 年 10 月，中國環(huán)流器二號 M 裝置（HL-2M）創(chuàng)造等離子體電流強(qiáng)度新紀(jì)錄，達(dá)到 100 萬安培（1 兆安）[12]。HL-2M 的等離子體電流能力理論上可達(dá) 2.5 兆安以上，而未來的可控核聚變能源需要在兆安級電流下穩(wěn)定運(yùn)行。

在運(yùn)行時間方面，今年 4 月，中國的“東方超環(huán)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）刷新穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時間紀(jì)錄，達(dá)到 403 秒，遠(yuǎn)高于它在 2017 年創(chuàng)下的 101 秒的紀(jì)錄[13]。作為 ITER 中國工作組的重要成員，EAST 團(tuán)隊的成就也能為 ITER 的未來貢獻(xiàn)一份力量。

近年來，產(chǎn)業(yè)界也對可控核聚變表現(xiàn)出極大興趣。據(jù)路透社報道，6 月 1 日，美國能源部宣布為 8 家相關(guān)企業(yè)撥款 4600 萬美元，目前全世界已有三十多家企業(yè)投身核聚變研發(fā)，比如因開發(fā) ChatGPT 而一舉成名的 OpenAI 公司創(chuàng)始人山姆·奧特曼（Sam Altman）也投資了一家核聚變公司[14]。該報道認(rèn)為，在政府和資本的大力支持下，可控核聚變產(chǎn)業(yè)預(yù)計在 2035 年到 2050 年逐漸成熟。

可控核聚變的應(yīng)用，這一次真的要實現(xiàn)了嗎？無論 ITER 最終走向何方，它仍然間接促成了超導(dǎo)磁體、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域的科研創(chuàng)新，參與各方也能從中積累國際合作、項目管理等方面的重要經(jīng)驗。但是，如果項目順利進(jìn)行，這樣大體量的實驗設(shè)備一定能帶給我們更多的驚喜。

參考文獻(xiàn)：

[1] Seife C 2023, World’s Largest Fusion Project Is in Big Trouble, New Documents Reveal, Scientific American, accessed June 29, 2023. https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal/

[2] ITER 2023, 32nd ITER Council: A Focus on Updating the Baseline, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/newsline/-/3895

[3] ITER ORGANIZATION 2016 ANNUAL REPORT. https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/737/2016_ITER_ANNUAL_REPORT.pdf

[4] ITER 2021, 28th ITER Council: Steady progress despite challenges including COVID-19, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/938/2021_06_IC-28.pdf

[5] Perrier G 2022, The Next Step in ITER Licensing, ITER, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/newsline/-/3727

[6] AFP 2023, International nuclear fusion project may be delayed by years, its head admits, the Guardian, accessed June 29, 2023. https://www.theguardian.com/science/2023/jan/06/french-nuclear-fusion-project-may-be-delayed-by-years-its-head-admits

[7] The ITER Tokamak, ITER, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/mach

[8] 磁體饋線系統(tǒng), 中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心, accessed June 29, 2023. https://www.iterchina.cn/ctkx/info/2018/12024.html

[9] 知識分子 2017, 參與超導(dǎo)超級對撞機(jī)國際合作始末, 中國科學(xué)院高能物理研究所, accessed June 29, 2023. https://ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201705/t20170504_4783471.html

[10] Joy W 2021, The Superconducting Super Collider: How Texas got the world’s most ambitious scientific project and why it failed, WFAA, accessed June 29, 2023. https://www.wfaa.com/article/features/originals/forgotten-texas-history-superconducting-super-collider-waxahachie-texas/287-8757cc57-44ff-4982-a382-65d5d7893c3f

[11] Bishop B 2022, Lawrence Livermore National Laboratory achieves fusion ignition, LLNL, accessed June 29, 2023. https://www.llnl.gov/news/lawrence-livermore-national-laboratory-achieves-fusion-ignition

[12] 2022, 突破1兆安放電 我國新一代“人造太陽”科研再獲新進(jìn)展, 人民網(wǎng)，accessed June 29, 2023. http://finance.people.com.cn/n1/2022/1021/c1004-32549176.html

[13] 許琦敏 2023, 403秒新紀(jì)錄，中國“人造太陽”如何做到，文匯報, accessed June 29, 2023. https://www.cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml

[14] Gardner T 2023, US announces $46 million in funds to eight nuclear fusion companies, Reuters, accessed June 29, https://www.reuters.com/business/energy/us-announces-46-million-funds-eight-nuclear-fusion-companies-2023-05-31/

作者：瑪雅藍(lán) 科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟 中國科學(xué)院物理所 副研究員