盗天取火--人造太阳

迟到的人

随着中国、日本、韩国、俄罗斯、美国和欧盟6大ITER成员国6月28日在莫斯科敲定法国的卡达拉舍（Cadalache）为反应堆建设地，这一为期30 年、共计投资将超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目很快就将正式启动。“ITER”――拉丁文“道路”之意――是否真能为人类另辟蹊径，整个世界都在期待。酷暑严冬、暴风山洪……被现代人类“剥削”的地球也在以自己的方式报复着人类。然而与生态气候所遭受的破坏相比，能源衰竭受到了更为广泛和急迫的关切。
    从1973年以来，人类已向地球索取了5000亿桶（约合800亿吨）石油，按照现在的开采速度，石油只够44年需求，天然气还能持续开采63年；抛开核能发电潜藏的核污染危险不言，其主要原料铀的地球探明储量也仅够维持72年之用；水能开发几近极限；风能、太阳能无法形成规模……百年之后，人类何以为继？
    日不落的梦想以人造太阳终结能源危机
    在中西方的神话里，都有盗天取火、造福人类的传说。太阳，这个高悬九天之上源源不断喷薄光热的星球是能为人类带来光明美好生活的象征。
    斗转星移，沧海桑田，直到19世纪末，放射性研究的开启才真正将人类引领到太阳迷宫的门外，而核聚变的发现终于使人类喊出了那一声响亮的“芝麻开门”。
    最初，剑桥卡文迪许实验室的英国化学家和物理学家阿斯顿，在用自己创制的摄谱仪从事同位素研究时发现，氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和大约小1%左右。1929年，英国的阿特金森和奥地利的奥特斯曼联合撰文，证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳的光与热皆源自这种轻核聚变反应。
    随后的研究证实，太阳发出的能量来自组成太阳的无数的氢原子核。在太阳中心的超高温和超高压下，这些氢原子核相互作用，发生核聚变，结合成较重的氦原子核，同时释放出巨大的光和热。于是，科学家设想，如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应即受控热核反应，那么在地球上同样可以创造出一个个具有不竭能量的人造太阳。
    实际上，宇宙中最常见的就是氢元素的聚变反应，所有的恒星几乎都在燃烧着氢。利用氢原子最容易实现的聚变反应是其同位素氘（读音刀，deuteri－um）与氚（读音川，tritium）的聚变。氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油，就是说，“1升海水等于300升汽油”。地球上海水中有45万亿吨氘，足够人类使用60亿年。
　ITER走向人间政治角力让ITER一波三折
    事实上早在二战时期人类就早已实现了氘-氚聚变——氢弹。但它比原子弹更具毁灭性和不可控性。如何将氢弹爆炸过程用人为手段大大减缓，其反应能量被缓慢而稳定地输出？这成为科学家们半个多世纪来为之奋斗的目标。
    上个世纪50年代初，美国和苏联率先开始秘密地独立研究可控核聚变，然而随着研究的深入，理论和技术上遭遇的一个个障碍让各国认识到，只有开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能利用的唯一可行之路。热核聚变技术也成为冷战时期各国仍旧保持互通有无的特例。
    1985年，美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在一次首脑会议上提议，要求“在核聚变能方面进行最广泛的、切实可行的国际合作”。美苏两国首脑随后又与核技术领域处于领先地位的法国的总统密特朗进行了几次高层会晤，支持在国际原子能机构（IAEA）主持下，进行国际热核实验反应堆，即ITER的概念设计和辅助研究开发方面的合作。
    1987年，IAEA邀请欧共体（欧盟前身）、美国、苏联、加拿大和日本的代表在维也纳开会并达成协议，五方合作设计建造国际热核实验反应堆，并由此诞生了第一个国际热核实验堆的概念设计计划，也被称为“人造太阳”计划。
    随后，由于苏联解体和美国以需要重新审议核聚变计划为由退出计划，ITER受到了很大影响，日本和欧盟国家成为ITER的主体力量，并在2001年完成了ITER的工程设计修改方案。
    2003年2月18日，美国宣布重新加入这一大型国际计划，中国也于同日加入该计划，19日，国际热核实验反应堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡决定，将于2013年前在日本、西班牙、法国和加拿大四国中的一个国家中建成世界上第一座热核反应堆。
    ITER的投资和建设规模之庞大，交叉学科种类之多，实验设备之复杂，都决定了它必须由多国合力完成。然而在大投入所蕴涵的不可估量的经济利益和政治角力之下，各国选址之争一度让ITER“搁浅”。
    在欧盟的协调下，候选国之一西班牙主动放弃，变成以法国为代表的欧盟与日本之争。2003年，华盛顿的一次会议上形成“两军对垒”态势——欧盟、中国和俄罗斯主张把反应堆建在核工业基础已经相当雄厚的法国南部城市卡达拉舍；而美国、韩国和日本则主张建在日本的六所村。因为没有选择加拿大作为反应堆候选国，2004年初，加国宣布由于缺乏资金退出该项目。至此，ITER的六方参与国确定为中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本和韩国。
    法日两国的选址拉锯战也从2003年进入白热化。得到中俄支持的欧盟表现出空前团结。今年年初，在法国促请下，欧盟还曾放出风声：如果僵局无法打破，欧盟和法国将联合有关合作者另起炉灶。
    这显然不是最佳选择。所幸的是，随着主要支持者美国的态度基于政治需要而逐渐暧昧，日本也不得不放缓口气。美国一度支持日本，那既是对伊拉克战争中日本坚定挺美的回报，也是对反战法国的报复；而如今时过境迁，急欲从伊战泥潭中抽身的布什政府重新开始“鼓吹”跨大西洋联盟的重要性。此外，美国是否真心愿意日本这个有过历史恩怨的盟友在事关战略的能源问题上实现自给，还要打上一个大大的问号。
    失去了最大的“靠山”，日本在得到欧盟方面承诺可以10％的投资获得20％承包合同以及更多就业岗位的交易条件下，还是半推半就地放弃了选址竞争。ITER开建前的最后一个障碍终于得以扫除。
    中国强势参建10％投入换100％产出
    按照六方达成的方案，欧盟将负责ITER建造经费的40％，法国作为项目建设地负担10％；其余50％由其他五国均摊。在这个国际合作项目之下，每个成员都享有均等权利，也就是说，中国可以用10％的投入分享到ITER全部知识产权和科技及商业利益。
    中国在热核聚变研究领域已经取得包括建成了全超导托卡马克装置的一系列重大成果，是ITER项目决定接纳中国的重要原因。根据计划，ITER将于2015年前全部建成。在法国卡达拉舍这个集聚全世界热核聚变领域多达数万名顶级科学家的总部，10％的科研人员都将是中国人。他们将参与这一前沿课题，同时吸收先进技术，促进我国基础科学和应用技术的快速发展。如果项目发展顺利，届时ITER还将在各参与国建立分支机构，造出更多的“太阳”。
    作为世界上最大的发展中国家，中国对可替代能源有着巨大的需求。参与ITER的中方首席科学家日前在接受新华社记者采访时也毫不讳言，“中国参与这一计划的最终目的是在中国独立建造反应堆。”
ITER六大关键词
　等离子体（Plasma）
    固态、液态、气态之外的物质第四态。如果气体的温度升高到一定的程度，气体原子便会因电子摆脱原子核的束缚而成为离子，于是物体便转为等离子态，是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。核聚变的第一步就是要使燃料处于等离子体态。
　托克马克（Tokamak）
    如何克服巨大的静电斥力将原子核聚到一起，还要将它们的密度维持在一定水平以防不安全的能量爆发（如氢弹就是不可控的核聚变）？苏联科学家在上世纪50年代初率先提出磁约束的概念，并在1954年建成了第一个磁约束装置——形如中空面包圈的环形容器“托克马克”，又称环流器。一般情况下，在超过10万摄氏度的磁场中，原子中的电子就脱离了原子核的束缚，形成等离子体。带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动，所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中，也叫磁笼。
    ITER的托克马克是一个高约10层楼，最大直径超过12米、最小直径也达4米，体积达到837立方米的环形容器，并由超导电磁线圈环绕。
    安全
    在体积800多立方米的ITER内，实际上只有几克氘和锂燃料，只是在超高温时等离子体才发生核聚变。如果发生故障，由于等离子体的温度下降，核聚变反应便会自动停止，不必担心会失控。
    污染
    核裂变发电的燃料棒含高辐射物料，使用后要储藏地下数百年防泄漏，另外，发电过程中也会制造出可用于核武的钚并产生加剧温室效应的气体。相比之下，除氚具有放射性危险之外，核聚变不会产生不可分解的高辐射废料，其少量放射性废料也很快失去放射性。聚变也不会产生温室气体。
    目标
    ITER本身并不能发电，项目的主要目的是演示利用聚变能大规模商业发电的科学与技术可行性。其两大技术目标是成功地达到维持聚变反应所必需的功率（500兆瓦），并且至少使这种状态保持300秒。
    难关
    要在50年内实现建造具有工业规模的聚变发电站，科学家们还需攻克多重难关。
    首先需要解决的是如何改善等离子体的约束性能。在超高温下，粒子的碰撞会使粒子一步步横越磁力线，携带能量逃逸。此外，当等离子体和磁场的边界模糊后，磁场出现变形，就会变得极不稳定，造成磁笼断裂或等离子体撞上聚变反应室的内壁。
    其次就是成本效益问题。科学家质疑，以超高温产生等离子体的能源成本，是否能生产出大量能源，实现成本效益。（王靓）
    中国为未来能源布局
    法国马赛附近的卡达拉舍镇终于击败了日本青森县的六所，在18年之久的ITER选址战中胜出。这场旷日持久的竞争，从最初的四个竞争国（法国、西班牙、加拿大和日本），到法国最终获胜，不仅反映了ITER六个合作方（中国、俄罗斯、欧盟、日本、美国和韩国）的科技政策博弈，但同时在深层次上，折射出世界科技多极化的发展趋向。
    ITER是继国际空间站、伽利略全球卫星导航定位系统等之后的又一超大型国际科技合作项目。尽管一般认为，人类还需要经过半个世纪，才能真正把热核聚变技术商业化，但取得ITER定址的东道国将在未来十年投资期内取得这场技术开发的主导权，这在带动东道国高科技研发和国内相关产业的提升方面，无疑具有十分重要的战略影响。
    法国这次胜出，绝非偶然。在去年欧盟东扩前，欧盟整体经济水平已追平美国，而日本仅为它们四成左右。虽然法日在核能开发上各有千秋，但欧盟作为一个整体，其核科技水平则具优势。由于欧盟在对华的战略科技合作中，较之美日更使我国得益，我国在ITER选址问题上不可能不对此有所考虑。选择法国（或欧盟），恐怕还有利于世界科技中心的分布更趋平衡合理。此外，鉴于法国已经是核武国家，由它来担任可控热核聚变的东道国角色，一定程度上也可减少核科技研发的民向军转移可能。
    鉴于我国是能源消费大国，在新世纪随着我国经济发展水平向小康全面推进，寻找可靠可持续的能源供应，已日益成为我国经济发展和国家安全的重大课题。由于世界范围油气能源的探明储量在本世纪后半叶将要告罄，又由于未脱硫的煤炭使用对环境造成十分严重的后果，发展核能，尤其是在本世纪后半叶开始使用可控聚变氢能，已成为世界各大国不可回避的选择，我国对此也不例外。
    我国从上世纪60年代起在四川乐山开始受控热核聚变研究，迄今已有40多年。 “九五”期间立项的国家大科学工程EAST（先进超导托卡马克实验装置），是世界上第一个全超导核聚变实验装置，已在安徽合肥的中科院等离子体物理研究所进入总装，预计于今年建成。这一设施将在未来10年内保持世界领先水平，并成为全球惟一可以支持ITER计划预研的装置。
    我国加入ITER计划，是一项服务中国和世界的战略决策，有着双重含义。其一，积极参加对我国经济和科技利益悠关的国际大科技项目，对人类科技进步作出中国的贡献，并加速提升我国可控热核聚变的技术研发水平。从人类几十年开展热核聚变的发展里程来看，任何一国要成功地独立研发可工业化的受控热核聚变，在短期内仍不可能。保障这项技术的研制成功，需要世界范围的技术合作和财政投入。其二，为建造我国自己的热核实验反应堆做技术准备。据悉，我国作为合作一方，将承担ITER计划100亿欧元开支的10%负担。相应地，我国也将分享ITER计划所产出的全部知识成果。从长远考虑，这在本世纪中期我国全面迈入现代化阶段之后继续保障我国发展的能源获得，起着谋篇布局的作用。(沈丁立)
相关信息:

http://tech.sina.com.cn/focus/manmade_sun/index.shtml

[ 本帖最后由 迟到的人 于 2006-11-9 18:40 编辑 ]