中国新闻周刊：未来能源之路——人造小太阳

　　(声明：刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权)

　　全人类最终走向主要依赖于聚变能源是一个必然，但我们还要为此等待半个世纪

　　本刊记者/方玄昌冯亦斐

　　1952年11月1日，由美国制造的、人类第一颗氢弹“麦克”在南太平洋的恩尼威托克岛上爆炸。氢弹爆炸的威力震惊了全世界——整个岛屿连同几百米高的钢架都在巨大的爆炸声中灰飞烟灭，蘑菇云冲破了地球大气的对流层和平流层。这次爆炸能量超过1000万吨烈性炸药，是广岛爆炸那颗原子弹的700倍。

　　氢弹爆炸产生的毁灭性能量来自于热核聚变——即太阳产生能量的方式，它和原子弹爆炸产生能量的核裂变方式刚好相反。半个多世纪过去了，全球再一次将目光投向这种能量产生的方式——但这一次，人们期待的是把这种可怕的爆炸转化为可以控制的能量，以彻底解决全人类的能源问题。

　　从第一颗原子弹爆炸到第一座核裂变电站的建立，科学家花了大约10年的时间(1954年，前苏联建成世界第一座试验核电站，1957年，美国建成世界第一座商用压水堆核电站)；而从第一颗氢弹爆炸到第一座核聚变电站的产生，人类则可能要等待一个世纪。

　　试验基地落址法国

　　对于解决人类的能源问题而言，2005年6月28日是值得纪念的一个日子。这一天，历经两年讨论的国际热核聚变实验堆合作计划(ITER)的选址问题终于有了答案来自欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国的代表在莫斯科达成协议，这个预计将耗资130亿美元的实验性核聚变反应堆，最终决定建造在法国南部的卡达拉什。

　　这可以说是人类在核聚变反应堆研究道路上迈出的关键一步。根据初步讨论，欧盟计划出资40%，法国出资10%，而其余的50%资金由其他5个国家分担。

　　从上世纪50年代初美国和前苏联开始分别秘密研究可控核聚变技术以来，全世界共建造了上百个实验装置，但都与最初的目标相差甚远。1985年，美国总统里根和前苏联总统戈尔巴乔夫在一次首脑会议上倡议，开展一个核聚变研究的国际合作计划——ITER的概念出炉。几经波折，欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国成了最后的ITER成员国。

　　“ITER”，拉丁语的意思是“道路”，寓意为寻求人类能源之路。

　　2003年12月20日，ITER各参与国最初在华盛顿举行会议，讨论核聚变反应堆的选址问题。欧盟、中国和俄罗斯主张把反应堆建在法国的卡达拉什，而美国、韩国和日本则主张建在日本本州岛北部的六所村。欧洲研究人员认为，若反应堆建在日本六所村，地震风险太大。日本人则认为，法国的卡达拉什远离海岸，很难安全地运输大型设施。法国和日本的各不相让一度使谈判陷入僵局。

　　进入2005年，欧盟的态度开始变得强硬：他们明确表示，如果不能与日本就选址问题达成一致，欧盟将把日本排除在外，与其他国家共同在法国建设这一项目。此后，原本支持日本的美国和韩国也开始松动。而美国的中立态度最终使日本退出了竞争。

　　安全、彻底地解决能源问题

　　与传统能源及核裂变电站相比，聚变反应堆有几大优点：安全、无污染、高效。

　　氢弹爆炸的目睹者说，爆炸的蘑菇云是“撒旦的烟火、世界毁灭前夕的血色辉煌”。原子弹在氢弹面前是小儿科，但核裂变电站发生的事故已经给人类造成不小的威胁。核聚变反应堆是否会成为人类最大一个噩梦？

　　刚好相反，聚变反应堆其实很安全。

　　核裂变反应堆之所以危险，是因为它处于一种临界状态，这种临界状态一旦被打破，投入的铀燃料超过了临界值，就有可能发生爆炸。其次，核裂变的原料具有辐射性，泄漏出来也会对周围人群的健康构成威胁。

　　而聚变反应堆处于次临界状态(离爆炸的临界线很远)，很安全。它就像是一个煤气灶，加入系统的燃料被缓慢烧尽。在任何时候，反应室里的燃料都非常少(大概1000立方米只有1克)，如果燃料供应被阻断，反应只会持续几秒钟。任何设备的故障都将导致反应堆冷却以及反应的停止。

　　此外，聚变反应的基本燃料氘和锂，以及反应的产物氦，都不是放射性的媒介燃料氚具有放射性，但衰变非常快，产生一种能量非常低的电子。在空气里，这种电子只能传播几毫米，甚至无法穿透一张纸。并且，氚是在反应室内产生的，不会有运输放射性物质时可能发生的任何问题。

　　对聚变电站安全性研究得出的结论是，一个聚变反应堆的设计能保证，反应堆内发生任何事故，都无须当地居民进行撤离。

　　聚变电站几乎不给环境带来负面影响。一个100万千瓦的聚变电站运行一整年将需要大约100克的氘和三吨的自然锂，能产生大约70亿度电，同时并没有温室气体或其他污染排放物。而要发出同样的电，一个火电厂需要大约150万吨的燃煤，同时产生400～500万吨的二氧化碳。

　　但更重要的是，聚变反应所需要的原料几乎可以说是无穷无尽的。科学家目前已经可以从海水里面很容易地提取氘和氚，一升海水提取的氘参与聚变释放的能量相当于300公升汽油燃烧释放的能量。

　　两大难题有待解决

　　“这一项目必须依赖于国际合作的原因是：其技术过于尖端，任何一个国家独立完成都难于登天。”中国在该项目的一位不愿透露姓名的学术带头人告诉本刊记者。

　　现在看来，实现热核聚变发电面临的所有问题中最困难的有两个：第一是维持长时间的超高温很困难；第二是现在还找不到能够长时间承受极端高温辐射的材料。

　　发生热核聚变，其必要条件是达到1亿摄氏度左右的高温。氢弹爆炸必须依赖于原子弹将它“点燃”——原子弹爆炸的中心温度超过1亿摄氏度。但热核聚变反应堆显然不能用这种方法来达到高温。

　　现在，科学家普遍研究的是一种叫做“托卡马克”的装置，它在物理学上又称做“磁线圈圆环室”，是一个由封闭磁场组成的“容器”，依靠超导电流产生的强大磁场产生高温。

　　在世界上几个托卡马克中，3～4亿摄氏度的高温都已经被实现(欧盟、日本和美国)，都比反应堆所需要的温度高。但麻烦的是，这样的高温持续时间都很短。而可控热核聚变需要持久稳定的高温。在获得持久稳定高温方面，法国人做出了2000万摄氏度、维持6分钟的高温，中国做到了1000多万摄氏度、持续4分钟。

　　欧洲聚变发展联合组织(EFDA)的负责人杰罗姆·帕米拉(JeromePamela)博士告诉本刊记者：“要得到更持久稳定的高温，目前看来惟一的方案就是增加设施的大小，因为磁旋的质量随着尺寸的增加而增加。”

　　其次是材料问题。“聚变反应中心的周围布有一米厚的‘地毯’，它覆盖反应堆的内壁，其作用是吸收中子，把聚变反应释放的辐射转化为热能，然后进一步转化为电能。我们准备在ITER计划中测试组成‘地毯’的材料。”帕米拉博士说。

　　接受本刊记者采访的国内专家表示，研制出这种成熟的抗高温、抗辐射材料，可能还需要一二十年时间。

　　还需等待半个世纪

　　中国在参与ITER的同时，自己也在独立发展这项技术，独立进行研究的有中国科学院等离子体物理研究所和西南物理研究院。但中国目前不打算做实验电站，而计划在二三十年以后直接做示范电站。

　　ITER在卡达拉舍进行的研究并不是要建立一个可以投入发电的反应堆，它仅仅是一个实验。它的目的主要是解决目前面临的所有困难，其工作全部完成可能需要30年。

　　“在接下来的20年里，ITER将提供必要的科学和技术知识，来促使一个示范核电站的建立，以证明聚变发电的能力。这将是商用聚变电站出现前的最后一步，我们期望这一步发生在21世纪中期。”帕米拉向本刊记者介绍说。

　　有预测认为，地球上目前剩下的化石能源还能使用50年，这50年恰好是科学家研究核聚变能源民用化所需的时间。而目前已经成熟了的核裂变发电技术，其主要原料铀在地球上的全部储量也仅够维持数百年之用。

　　“因此，全人类最终走向主要依赖于聚变能源是一个必然。如果聚变反应堆技术不能在传统能源耗竭之前得到应用，人类将面临着因为能源枯竭而灭亡的危险。”中国科学院一位主持核聚变反应堆项目的负责人说。(来源：中国新闻周刊；感谢中国科学院等离子体物理研究所所长李建刚研究员给本文提供帮助)