“人造太陽(yáng)”背后，能源為什么值得關(guān)注？

編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào)“極客公園”（ID:geekpark），36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

作者 |趙子瀟

編輯 |于本一

圣波萊迪朗克坐落在法國(guó)南部，屬于普羅旺斯地區(qū)，離同在法國(guó)南部的馬賽市約 66 公里。這個(gè)鮮為人知的地方最近卻受到了廣泛關(guān)注，尤其是新科技愛(ài)好者們。不出意外的話，未來(lái)幾年，人們可能還會(huì)對(duì)這個(gè)地方頂禮膜拜。

在這里，世界上最大的核聚變裝置——國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，下稱(chēng) ITER）正式開(kāi)始組裝工作。數(shù)百萬(wàn)個(gè)零件從世界各地運(yùn)到法國(guó)，僅組裝時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 4.5 年，最終變成直徑約 30 米，高度約 10 層樓的大型反應(yīng)堆。

如果 ITER 成功運(yùn)行，對(duì)于全世界來(lái)說(shuō)，都是核技術(shù)的一大突破。更重要的是，它可能會(huì)改寫(xiě)全球的能源歷史，清潔能源屆時(shí)將成為主流。已經(jīng)有 35 年歷史，還有 15 年才能實(shí)現(xiàn)的「人造太陽(yáng)」ITER，正在試圖沖破地球能源危機(jī)的考驗(yàn)。

關(guān)于 ITER 的歷史，最早可以追溯到上世紀(jì) 80 年代，是美國(guó)總統(tǒng)里根與蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈?duì)柊蛦谭蛱岢龅某h。

當(dāng)時(shí)，美國(guó)、歐洲共同體、蘇聯(lián)和日本等國(guó)家都在進(jìn)行核聚變相關(guān)研究，但研究的經(jīng)費(fèi)超過(guò)了任何一個(gè)國(guó)家的預(yù)算，所以才有了這一國(guó)際合作項(xiàng)目的誕生。

2006 年，歐盟、美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯和印度作為聯(lián)合參加 ITER 項(xiàng)目的國(guó)家正式簽署了一系列相關(guān)協(xié)議，項(xiàng)目才算真正啟動(dòng)。按照預(yù)期，ITER 將持續(xù) 30 年左右：10 年用于建設(shè)，20 年用于運(yùn)行。

ITER 項(xiàng)目啟動(dòng)儀式｜ITER 官網(wǎng)

但在建設(shè)時(shí)間和資金上遠(yuǎn)比人們想象中的投入要多很多。2015 年，ITER 投入的資金已經(jīng)接近 100 億歐元的整體預(yù)算，另外針對(duì)該項(xiàng)目的審查得出結(jié)論，時(shí)間表可能至少需要延長(zhǎng) 6 年。目前，ITER 的預(yù)算已提升至 200 億歐元（約 1646 億人民幣）。

不管是建造難度或者金錢(qián)的角度看，這是一項(xiàng)必須要全球各國(guó)合作完成的巨大工程。僅就組裝而言，ITER 的所有零部件都是單獨(dú)定制，許多組件必須在其負(fù)責(zé)的國(guó)家內(nèi)制造并部分組裝，然后運(yùn)到法國(guó)。就連 ITER 外部的環(huán)境都需要進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)劃，據(jù) ITER 官方稱(chēng)，之所以會(huì)選擇法國(guó)南部的小城，原因之一就是它附近有一條航運(yùn)水路，可以將重量極大的組件通過(guò)水路運(yùn)輸?shù)竭@里。即便這樣，ITER 也必須建造一條定制的道路，方便運(yùn)送數(shù)十噸甚至上百噸的零件，普通道路根本無(wú)法承受這個(gè)重量。

韓國(guó)于今年 7 月將組件運(yùn)至法國(guó)｜ITER 官網(wǎng)

ITER 總干事 Bernard Bigot 博士表示，項(xiàng)目管理、系統(tǒng)工程、風(fēng)險(xiǎn)管理和機(jī)器裝配物流的每一個(gè)方面都必須協(xié)同配合，像瑞士手表一樣精確?！肝磥?lái)幾年，我們有一個(gè)復(fù)雜的流程需要遵循?！?/p>

中國(guó)在其中也發(fā)揮到重要作用。ITER 官網(wǎng)顯示，中國(guó)在其中參與制造了 TF（環(huán)向場(chǎng)）線圈與極向場(chǎng)線圈，均為 ITER 的關(guān)鍵組件。

話說(shuō)回來(lái)，ITER 為什么這么值得關(guān)注？

一個(gè)最核心的原因是，如果 ITER 核聚變反應(yīng)成功，它將是歷史上所有核聚變實(shí)驗(yàn)中第一個(gè)產(chǎn)生清潔能源的項(xiàng)目，同樣也能證明核聚變產(chǎn)生的清潔能源具有商業(yè)可行性。

這里要提到 ITER 的原理：核聚變。理解它最好的參照物就是太陽(yáng)，太陽(yáng)產(chǎn)生能量的原理就是核聚變，其產(chǎn)生的能量在 1.5 億千米之外的地球，依然能把人類(lèi)的皮膚曬傷。ITER 或者其他核聚變反應(yīng)堆就通俗地被大家稱(chēng)作「人造太陽(yáng)」。

目前模擬太陽(yáng)最合適的設(shè)備是托卡馬克（Tokamak）。因?yàn)槿嗽煸O(shè)備無(wú)法獲得與太陽(yáng)同等壓力使核聚變正常反應(yīng)，只能通過(guò)提高至上億攝氏度的溫度來(lái)彌補(bǔ)，如此高的溫度無(wú)法用固體物質(zhì)承受，于是用磁場(chǎng)約束控制核聚變的托卡馬克出現(xiàn)了。

ITER 反應(yīng)堆設(shè)計(jì)圖，它就是托卡馬克｜ITER 官網(wǎng)

ITER 官網(wǎng)簡(jiǎn)單解釋了反應(yīng)原理：當(dāng)幾克氘和氚氣體被注入到形似甜甜圈的托卡馬克后，將氣體進(jìn)行加熱氣體，直到它變成云狀的電離等離子體。托卡馬克內(nèi)部的磁場(chǎng)將其控制在容器內(nèi)，當(dāng)溫度升至 1.5 億攝氏度，核聚變發(fā)生，其產(chǎn)生的超高能中子以熱量的形式傳遞能量至托卡馬克外壁上的水，產(chǎn)生蒸汽，這個(gè)過(guò)程就能帶動(dòng)發(fā)電。

整個(gè)過(guò)程的最大優(yōu)勢(shì)在于，核聚變的能量來(lái)源非常容易獲得，產(chǎn)生的能量巨大，并且完全清潔。

氘和氚都是氫的同位素，前者大量存在于海水中（每 1 升海水中含 30 毫克氘），后者也能在核聚變反應(yīng)中生成。菠蘿形狀大小的氘與氚產(chǎn)生的能量相當(dāng)于 1 萬(wàn)噸煤。

核聚變主要燃料：氘和氚｜ITER 官網(wǎng)

核聚變也是最理想的產(chǎn)生能量的方式。它釋放的能量比核裂變更大，ITER 輸入 50MW（兆瓦），可輸出十倍的能量，足以為 20 萬(wàn)戶家庭供電。更重要的是，它不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳或者核廢料等對(duì)環(huán)境構(gòu)成污染的物質(zhì)。核聚變唯一會(huì)產(chǎn)生的「副作用」是氦氣，無(wú)色無(wú)味的惰性氣體，合理利用也有大用處。

Bernard Bigot 預(yù)言：「利用清潔能源的獨(dú)特性將其激活利用，將是我們星球的奇跡?！?/p> 新能源的希望

人們經(jīng)?！刚労松儭?，因?yàn)楹四茉丛谖覀兊挠∠螽?dāng)中還是一種很危險(xiǎn)的東西。但它同時(shí)對(duì)科學(xué)家保持著非常強(qiáng)的吸引力，氣候變化、能源危機(jī)等全球性的因素成為了推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域最主要的動(dòng)力，而核聚變等技術(shù)可能會(huì)對(duì)人類(lèi)文明產(chǎn)生巨大影響，這也是為什么國(guó)際上幾個(gè)主要國(guó)家聯(lián)合成立 ITER，也在獨(dú)立研究出如何將危險(xiǎn)又迷人的核能源安全地投入到商業(yè)當(dāng)中。

美國(guó)海軍在 2019 年底公布了一項(xiàng)專(zhuān)利，聲稱(chēng)他們可以做到直徑在 0.3-2 米之間的緊湊型核聚變反應(yīng)堆（Compact Fusion Reactor，下稱(chēng) CFR），與 ITER 直觀對(duì)比的話，就是建筑物與手提箱的區(qū)別。如果這項(xiàng)技術(shù)成功，就意味著核聚變反應(yīng)堆變成了一座可隨時(shí)移動(dòng)的大型發(fā)電站，飛機(jī)、輪船甚至汽車(chē)的動(dòng)力都無(wú)需發(fā)愁。

美國(guó)海軍設(shè)計(jì)的 CFR 外觀｜USPTO

專(zhuān)利顯示，與托卡馬克利用磁場(chǎng)約束等離子體的原理類(lèi)似，不過(guò) CFR 在內(nèi)部裝置了幾對(duì)反向旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)熔斷器（Counter-Spinning Dynamic Fusors），當(dāng)氘和氚等燃料氣體注入后，這些熔斷器高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，壓縮并加熱氣體，從而產(chǎn)生能量。

研究 CFR 的不止美國(guó)海軍，著名的美國(guó)國(guó)防工業(yè)承包商洛克希德馬丁公司也在幾年前展示過(guò) CFR 的產(chǎn)品原型。洛克希德馬丁方面稱(chēng)，反應(yīng)堆的重量為 20 噸，可以放在卡車(chē)內(nèi)。另外，中國(guó)和國(guó)際上幾家私營(yíng)公司在這方面也有相關(guān)研究。

世界各地都在托卡馬克上大量投入進(jìn)行研究。由中國(guó)自主設(shè)計(jì)和研制并聯(lián)合國(guó)際合作的重大科學(xué)工程中國(guó)聚變工程測(cè)試反應(yīng)堆（CFETR）將于 2035 年建成，開(kāi)始大規(guī)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)；韓國(guó)正在實(shí)施其 KSTAR 項(xiàng)目，同樣屬于托卡馬克。

為什么我們對(duì)核聚變?nèi)绱岁P(guān)注？

當(dāng)下，獲得電力的方式多種多樣，但都需要能源消耗。發(fā)電廠要么依靠化石燃料、核裂變，或者風(fēng)、水等可再生資源，但無(wú)論使用哪種能源，發(fā)電廠都需要通過(guò)機(jī)械動(dòng)力（比如渦輪的旋轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)換為電能。

如果人類(lèi)研究出可控的核聚變（不可控核聚變已研究出來(lái)，如氫彈爆炸等）并加以利用，理論上世界能源將無(wú)窮無(wú)盡，不會(huì)發(fā)生因氣候變化或能源危機(jī)對(duì)地球造成危害。

從人類(lèi)出現(xiàn)在這個(gè)世界上，獲取能源就是延續(xù)生命的方式。人民網(wǎng)此前指出過(guò)，能源技術(shù)科學(xué)進(jìn)步一直影響著人類(lèi)世界觀的形成，人類(lèi)的文明就是建立在對(duì)于能源的認(rèn)識(shí)以及相關(guān)信息的傳遞上。

工業(yè)革命以來(lái)，這一理論被加速證明。在煤炭和蒸汽機(jī)的推進(jìn)下，人類(lèi)文明開(kāi)始了前所未有的加速。接踵而來(lái)的是石油和內(nèi)燃機(jī)，以及電力的發(fā)明和普及，它們使人類(lèi)文明再次出現(xiàn)質(zhì)的飛躍，進(jìn)入了今天的后工業(yè)時(shí)代。

芒格家族財(cái)產(chǎn)管理者、美國(guó)喜馬拉雅資本創(chuàng)始人李錄在《文明、現(xiàn)代化、價(jià)值投資與中國(guó)》一書(shū)中提到熵增定律：「世界復(fù)雜龐大，看似無(wú)邊無(wú)界，但是大總能壓倒小，能量一律從高到低流動(dòng)，最終一切都會(huì)歸于無(wú)序和死寂。」但進(jìn)化史上最后一個(gè)具有創(chuàng)造性的物種——人類(lèi)，可能改變這一切。

霍金說(shuō)：「人類(lèi)的文明讓熵減成為可能，由此宇宙不再只是熵增的、走向無(wú)序和沉寂的單向道路，人類(lèi)也不再只是蝸居于茫茫宇宙偏僻一隅的化學(xué)浮渣?！?/p>

能源大概就是人類(lèi)文明的基石之一，讓文明的無(wú)限進(jìn)步成為可能。