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

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

    在這里,世界上最大的核聚變裝置—;—;國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,下稱 ITER)正式開始組裝工作。數(shù)百萬個零件從世界各地運到法國,僅組裝時間長達 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 成功運行,對于全世界來說,都是核技術(shù)的一大突破。更重要的是,它可能會改寫全球的能源歷史,清潔能源屆時將成為主流。已經(jīng)有 35 年歷史,還有 15 年才能實現(xiàn)的「人造太陽」ITER,正在試圖沖破地球能源危機的考驗。

    ITER 到底是什么?

    關(guān)于 ITER 的歷史,最早可以追溯到上世紀 80 年代,是美國總統(tǒng)里根與蘇聯(lián)領(lǐng)導人戈爾巴喬夫提出的倡議。

    當時,美國、歐洲共同體、蘇聯(lián)和日本等國家都在進行核聚變相關(guān)研究,但研究的經(jīng)費超過了任何一個國家的預(yù)算,所以才有了這一國際合作項目的誕生。

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

    但在建設(shè)時間和資金上遠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,另外針對該項目的審查得出結(jié)論,時間表可能至少需要延長 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的角度看,這是一項必須要全球各國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定制,許多組件必須在其負責的國家內(nèi)制造并部分組裝,然后運到法國。就連 ITER 外部的環(huán)境都需要進行嚴密計劃,據(jù) ITER 官方稱,之所以會選擇法國南部的小城,原因之一就是它附近有一條航運水路,可以將重量極大的組件通過水路運輸?shù)竭@里。即便這樣,ITER 也必須建造一條定制的道路,方便運送數(shù)十噸甚至上百噸的零件,普通道路根本無法承受這個重量。

    ITER 總干事 Bernard Bigot 博士表示,項目管理、系統(tǒng)工程、風險管理和機器裝配物流的每一個方面都必須協(xié)同配合,像瑞士手表一樣精確?!肝磥韼啄辏覀冇幸粋€復雜的流程需要遵循?!?/p>

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

    「人造太陽」

    話說回來,ITER 為什么這么值得關(guān)注?

    一個最核心的原因是,如果 ITER 核聚變反應(yīng)成功,它將是歷史上所有核聚變實驗中第一個產(chǎn)生清潔能源的項目,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,太陽產(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作「人造太陽」。

    目前模擬太陽最合適的設(shè)備是托卡馬克(Tokamak)。因為人造設(shè)備無法獲得與太陽同等壓力使核聚變正常反應(yīng),只能通過提高至上億攝氏度的溫度來彌補,如此高的溫度無法用固體物質(zhì)承受,于是用磁場約束控制核聚變的托卡馬克出現(xiàn)了。

    ITER 官網(wǎng)簡單解釋了反應(yīng)原理:當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)部的磁場將其控制在容器內(nèi),當溫度升至 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,這個過程就能帶動發(fā)電。

    整個過程的最大優(yōu)勢在于,核聚變的能量來源非常容易獲得,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)生的能量相當于 1 萬噸煤。

    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 萬戶家庭供電。更重要的是,它不會產(chǎn)生二氧化碳或者核廢料等對環(huán)境構(gòu)成污染的物質(zhì)。核聚變唯一會產(chǎn)生的「副作用」是氦氣,無色無味的惰性氣體,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?,因為核能源在我們的印象當中還是一種很危險的東西。但它同時對科學家保持著非常強的吸引力,氣候變化、能源危機等全球性的因素成為了推動這個領(lǐng)域最主要的動力,而核聚變等技術(shù)可能會對人類文明產(chǎn)生巨大影響,這也是為什么國際上幾個主要國家聯(lián)合成立 ITER,也在獨立研究出如何將危險又迷人的核能源安全地投入到商業(yè)當中。

    美國海軍在 2019 年底公布了一項專利,聲稱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 CFR),與 ITER 直觀對比的話,就是建筑物與手提箱的區(qū)別。如果這項技術(shù)成功,就意味著核聚變反應(yīng)堆變成了一座可隨時移動的大型發(fā)電站,飛機、輪船甚至汽車的動力都無需發(fā)愁。


    美國海軍設(shè)計的 CFR 外觀 | USPTO

    專利顯示,與托卡馬克利用磁場約束等離子體的原理類似,不過 CFR 在內(nèi)部裝置了幾對反向旋轉(zhuǎn)動態(tài)熔斷器(Counter-Spinning Dynamic Fusors),當氘和氚等燃料氣體注入后,這些熔斷器高速旋轉(zhuǎn)振動,壓縮并加熱氣體,從而產(chǎn)生能量。

    研究 CFR 的不止美國海軍,著名的美國國防工業(yè)承包商洛克希德馬丁公司也在幾年前展示過 CFR 的產(chǎn)品原型。洛克希德馬丁方面稱,反應(yīng)堆的重量為 20 噸,可以放在卡車內(nèi)。另外,中國和國際上幾家私營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行研究。由中國自主設(shè)計和研制并聯(lián)合國際合作的重大科學工程中國聚變工程測試反應(yīng)堆(CFETR)將于 2035 年建成,開始大規(guī)??茖W實驗;韓國正在實施其 KSTAR 項目,同樣屬于托卡馬克。

    為什么我們對核聚變?nèi)绱岁P(guān)注?

    當下,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、水等可再生資源,但無論使用哪種能源,發(fā)電廠都需要通過機械動力(比如渦輪的旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)換為電能。

    如果人類研究出可控的核聚變(不可控核聚變已研究出來,如氫彈爆炸等)并加以利用,理論上世界能源將無窮無盡,不會發(fā)生因氣候變化或能源危機對地球造成危害。

    從人類出現(xiàn)在這個世界上,獲取能源就是延續(xù)生命的方式。人民網(wǎng)此前指出過,能源技術(shù)科學進步一直影響著人類世界觀的形成,人類的文明就是建立在對于能源的認識以及相關(guān)信息的傳遞上。

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

    芒格家族財產(chǎn)管理者、美國喜馬拉雅資本創(chuàng)始人李錄在《文明、現(xiàn)代化、價值投資與中國》一書中提到熵增定律:「世界復雜龐大,看似無邊無界,但是大總能壓倒小,能量一律從高到低流動,最終一切都會歸于無序和死寂?!沟M化史上最后一個具有創(chuàng)造性的物種—;—;人類,可能改變這一切。

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

    能源大概就是人類文明的基石之一,讓文明的無限進步成為可能。

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