史上最昂贵的科学实验

有些人毕生致力于核聚变研究，然后退休时感到很痛苦，因为他们认为这是浪费职业。但这并没有阻止每年都有新人加入这项工作：乐观的年轻毕业生渴望解决对世界有实际影响的复杂科学问题。近年来，他们的人数不断增加，或许是受到两个因素的推动：一台新机器正在建造中，这是一项巨大的全球努力，最终可能表明核聚变可以成为能源的净生产者；考虑到石油供应减少和气候变化的双重威胁，对核聚变的需求从未如此强烈。

这台新机器就是国际热核实验反应堆，简称 ITER（发音为“eater”）。过去 60 年来，许多机器都被标榜为将取得重大突破的“机器”，但都未能如愿。但考虑到它的前身 JET 已经接近收支平衡，ITER 应该有很大的机会。ITER 不是发电站，它不会接入电网，甚至不会发电，但它的设计者的目标是远远超越收支平衡，引发足够的聚变反应，产生 10 倍于泵入热量的热量。要达到这个目标，需要一个史诗级的反应堆。容纳反应堆的建筑物将高 60 米，地下延伸 13 米——总高度超过凯旋门。里面的反应堆将重达 23,000 吨——延续巴黎的主题，这比三座埃菲尔铁塔还要重。

对核聚变的需求从未如此强烈。在撰写本文时，法国南部卡达拉舍的 ITER 现场的工人们正在打地基、搭建建筑物、安装电缆并准备地面。世界各地的工厂正在建造反应堆的各种部件，准备运往法国并在现场组装。规模和数量都是巨大的。六个不同的 ITER 成员国的工厂正在大量生产反应堆磁体的铌锡超导导线。完成后，他们将生产出 80,000 公里长的导线，足以绕赤道两圈。用于容纳等离子体的电磁铁是巨大的 D 形线圈，每个线圈高 14 米，重 360 吨，相当于一架满载的巨型喷气式飞机。ITER 需要 18 个这样的磁铁。关于 ITER 最令人难以置信的统计数据，也是它由国际合作建造的原因之一，就是它的成本：大约在 130 亿欧元至 160 亿欧元之间。这使它成为有史以来建造的最昂贵的科学实验——是欧洲核子研究中心大型强子对撞机成本的两倍。

对于相关国家来说，这笔巨额资金是一场赌博，赌的是能源供应将成为国家安全问题的未来。大多数人都认为本世纪石油产量将急剧下降。煤炭资源仍然充足，但大量燃烧会增加灾难性气候变化的风险。这让世界未来的能源供应没有多少选择。传统核能让人们感到不安，原因有很多，包括安全、废物处理问题、核扩散和恐怖主义。

风能、潮汐能和太阳能等替代能源无疑将成为我们未来能源的一部分。替代能源的电力成本很高，但近几十年来已大幅下降，随着技术的不断改进，成本还会进一步下降。然而，对于我们这个能源饥渴的现代社会来说，仅依靠替代能源来运转是非常困难的，因为替代能源天生具有间歇性——有时太阳不照耀，风也不吹——而且具有扩散性——替代技术占用大量空间，产生的电力却不多。

在能源问题上，人们面临着艰难的选择，有人担心，未来几十年，为了争夺能源资源，战争将爆发，尤其是随着中国和印度等国人口的不断增加，对能源的需求也随之增加。任何生产或运输石油的地方——霍尔木兹海峡、南海、里海、北极——都可能成为导火索。支持核聚变就像打一场赌注：它可能不会成功，但如果成功，回报将非常丰厚。没有人保证核聚变能源会很便宜；反应堆的建造和运行成本很高。但在一个以核聚变为动力的世界里，地缘政治将不再由石油工业主导，因此不再有石油禁运，原油价格不会大幅波动，也不必再担心俄罗斯会关闭其天然气管道。

核聚变科学并非为了追求知识而追求知识，而是不断攻克难题，坚信有一天它会破解。仍有许多怀疑论者认为核聚变永远不会为电网提供哪怕一千瓦的电力，因为科学和技术上存在太多的不确定性。但他们的观点不会动摇那些毕生致力于核聚变能源梦想、历经坎坷、死胡同、错误道路和小突破的人的信念。核聚变的故事不仅仅是科学家们在实验室里独自埋头苦干的故事。军事上的权宜之计、国际政治和历史的偶然性都促进和阻碍了核聚变研究的进展。核聚变所需的机器越来越昂贵，而其资金来源则随着各国政府寻找替代能源的迫切程度而时涨时落：20 世纪 70 年代的中东石油禁运导致核聚变资金大幅增加，但到了 20 世纪 80 年代，当石油价格再次低廉时，研究资金却越来越难获得。原子间谍活动、超级大国峰会、巴勒斯坦恐怖分子劫机事件和伊拉克战争都对核聚变的命运产生了影响。让它得以继续发展的是那些投身于该领域的科学家们坚定不移的信念，相信有一天它会成功。核聚变科学不是为知识而寻求知识，它不具备大爆炸、黑洞、人类基因组或寻找希格斯玻色子的智力吸引力，而是不断敲打顽固的坚果，坚信有一天它会破裂。虽然不太可能出现顿悟时刻，但有一天，ITER 或其他反应堆的操作员将获得正确的设置，等离子体将变热、保持高温，并像太阳一样燃烧。

本文摘自《太阳碎片：核聚变能源探索》_版权所有 © 2013 Daniel Clery。由 The Overlook Press 出版。保留所有权利。Daniel Clery 在约克大学学习理论物理学。二十多年来，他一直为一些世界顶级科学杂志编辑和撰稿，包括《物理世界》、《新科学家》和《科学》。自 1993 年以来，Clery 一直担任《科学》杂志的新闻编辑，报道过我们这个时代许多重大的科学新闻。