「人造太陽」背後，能源為什麼值得關注？| 極客視野

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。

聖波萊迪朗克坐落在法國南部，屬於普羅旺斯地區，離同在法國南部的馬賽市約 66 公裡。這個鮮為人知的地方最近卻受到了廣泛關注，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。

在這裡，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，下稱 ITER）正式開始組裝工作。數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 層樓的大型反應堆。

如果 ITER 成功運行，對於全世界來說，都是核技術的一大突破。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。已經有 35 年歷史，還有 15 年才能實現的「人造太陽」ITER，正在試圖衝破地球能源危機的考驗。

ITER 到底是什麼？

關於 ITER 的歷史，最早可以追溯到上世紀 80 年代，是美國總統裡根與蘇聯領導人戈巴契夫提出的倡議。

當時，美國、歐洲共同體、蘇聯和日本等國家都在進行核聚變相關研究，但研究的經費超過了任何一個國家的預算，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合參加 ITER 項目的國家正式籤署了一系列相關協議，項目才算真正啟動。按照預期，ITER 將持續 30 年左右：10 年用於建設，20 年用於運行。

ITER 項目啟動儀式 | ITER 官網

但在建設時間和資金上遠比人們想像中的投入要多很多。2015 年，ITER 投入的資金已經接近 100 億歐元的整體預算，另外針對該項目的審查得出結論，時間表可能至少需要延長 6 年。目前，ITER 的預算已提升至 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製，許多組件必須在其負責的國家內製造並部分組裝，然後運到法國。就連 ITER 外部的環境都需要進行嚴密計劃，據 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到這裡。即便這樣，ITER 也必須建造一條定製的道路，方便運送數十噸甚至上百噸的零件，普通道路根本無法承受這個重量。

韓國於今年 7 月將組件運至法國 | ITER 官網

ITER 總幹事 Bernard Bigot 博士表示，項目管理、系統工程、風險管理和機器裝配物流的每一個方面都必須協同配合，像瑞士手錶一樣精確。「未來幾年，我們有一個複雜的流程需要遵循。」

中國在其中也發揮到重要作用。ITER 官網顯示，中國在其中參與製造了 TF（環向場）線圈與極向場線圈，均為 ITER 的關鍵組件。

「人造太陽」

話說回來，ITER 為什麼這麼值得關注？

一個最核心的原因是，如果 ITER 核聚變反應成功，它將是歷史上所有核聚變實驗中第一個產生清潔能源的項目，同樣也能證明核聚變產生的清潔能源具有商業可行性。

這裡要提到 ITER 的原理：核聚變。理解它最好的參照物就是太陽，太陽產生能量的原理就是核聚變，其產生的能量在 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備是託卡馬克（Tokamak）。因為人造設備無法獲得與太陽同等壓力使核聚變正常反應，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承受，於是用磁場約束控制核聚變的託卡馬克出現了。

ITER 反應堆設計圖，它就是託卡馬克 | ITER 官網

ITER 官網簡單解釋了反應原理：當幾克氘和氚氣體被注入到形似甜甜圈的託卡馬克後，將氣體進行加熱氣體，直到它變成雲狀的電離等離子體。託卡馬克內部的磁場將其控制在容器內，當溫度升至 1.5 億攝氏度，核聚變發生，其產生的超高能中子以熱量的形式傳遞能量至託卡馬克外壁上的水，產生蒸汽，這個過程就能帶動發電。

整個過程的最大優勢在於，核聚變的能量來源非常容易獲得，產生的能量巨大，並且完全清潔。

氘和氚都是氫的同位素，前者大量存在於海水中（每 1 升海水中含 30 毫克氘），後者也能在核聚變反應中生成。菠蘿形狀大小的氘與氚產生的能量相當於 1 萬噸煤。

核聚變主要燃料：氘和氚 | ITER 官網

核聚變也是最理想的產生能量的方式。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，它不會產生二氧化碳或者核廢料等對環境構成汙染的物質。核聚變唯一會產生的「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，將是我們星球的奇蹟。」

新能源的希望

人們經常「談核色變」，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域最主要的動力，而核聚變等技術可能會對人類文明產生巨大影響，這也是為什麼國際上幾個主要國家聯合成立 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堆（Compact Fusion Reactor，下稱 CFR），與 ITER 直觀對比的話，就是建築物與手提箱的區別。如果這項技術成功，就意味著核聚變反應堆變成了一座可隨時移動的大型發電站，飛機、輪船甚至汽車的動力都無需發愁。

美國海軍設計的 CFR 外觀 | USPTO

專利顯示，與託卡馬克利用磁場約束等離子體的原理類似，不過 CFR 在內部裝置了幾對反向旋轉動態熔斷器（Counter-Spinning Dynamic Fusors），當氘和氚等燃料氣體注入後，這些熔斷器高速旋轉振動，壓縮並加熱氣體，從而產生能量。

研究 CFR 的不止美國海軍，著名的美國國防工業承包商洛克希德馬丁公司也在幾年前展示過 CFR 的產品原型。洛克希德馬丁方面稱，反應堆的重量為 20 噸，可以放在卡車內。另外，中國和國際上幾家私營公司在這方面也有相關研究。

世界各地都在託卡馬克上大量投入進行研究。由中國自主設計和研製並聯合國際合作的重大科學工程中國聚變工程測試反應堆（CFETR）將於 2035 年建成，開始大規模科學實驗；韓國正在實施其 KSTAR 項目，同樣屬於託卡馬克。

為什麼我們對核聚變如此關注？

當下，獲得電力的方式多種多樣，但都需要能源消耗。發電廠要麼依靠化石燃料、核裂變，或者風、水等可再生資源，但無論使用哪種能源，發電廠都需要通過機械動力（比如渦輪的旋轉）轉換為電能。

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）並加以利用，理論上世界能源將無窮無盡，不會發生因氣候變化或能源危機對地球造成危害。

從人類出現在這個世界上，獲取能源就是延續生命的方式。人民網此前指出過，能源技術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於能源的認識以及相關信息的傳遞上。

工業革命以來，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燃機，以及電力的發明和普及，它們使人類文明再次出現質的飛躍，進入了今天的後工業時代。

芒格家族財產管理者、美國喜馬拉雅資本創始人李錄在《文明、現代化、價值投資與中國》一書中提到熵增定律：「世界複雜龐大，看似無邊無界，但是大總能壓倒小，能量一律從高到低流動，最終一切都會歸於無序和死寂。」但進化史上最後一個具有創造性的物種——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於茫茫宇宙偏僻一隅的化學浮渣。」

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。

本文作者：趙子瀟

責任編輯：於本一

題圖來源：ITER 官網

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