科工力量：製造人類終極能源，為什麼中國最有希望？

各位好，我是冬曉。7月28日，世界最大的核聚變裝置，國際熱核聚變實驗堆（ITER），在法國開始組裝，35個國家領導人遠程視頻、參加慶典。該反應堆是一個能產生大規模核聚變反應的託卡馬克，也被叫做「人造太陽」，由中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度聯合建造。工程建設中，中國提供了核心設備。今天的視頻我們就講一下人造太陽的那些事。

核聚變，兩個原子核碰撞結合，釋放能量。氫彈將這一理論變為現實，瞬間爆炸，產生巨大的能量。但這樣的方式不可控，做武器還行，用來發電就純屬異想天開。太陽內部核聚變為什麼能持續? 因為它質量大，產生的強大引力指向內部，抵消了聚變產生的向外壓力，構成平衡。有了這種平衡，物質不會炸散開來，聚變能持續進行。

氫的同位素，氘、氚，是常用的聚變原料，它們的混合氣體，必須在超過1億度高溫環境下，才能產生大規模反應。這樣高的溫度，原子中的電子和原子核分開，獨立運動，形成等離子體。可控核聚變，需要將這團氣體約束在高溫環境中，太陽靠引力約束，那麼人類呢？用容器裝嗎？問題是，這樣的容器該用什麼材料製造？1億度的高溫，任何材料也無法承受。

早期的科學家嘗試了很多方案，仿星器，箍縮機、磁鏡等。很遺憾，這些裝置工作不穩定，實驗效果不理想。為了約束高溫等離子體，政府需要投入更多的錢，建造更精密的設備。50年代，美國投入巨額資金，啟動「舍伍德工程」，希望成為聚變研究的領頭羊，但這被英國搶了先，他們的ZETA聚變裝置取得重大突破。ZETA的投資比「舍伍德工程」少得多，這下美國人臉上掛不住了，不讓英國發布實驗成功的消息。兩國媒體相互拱火，英國《觀察家報》說：這是羨慕嫉妒恨。《紐約時報》說：不對，我們不可能比你差。後來，美國迫於外界壓力，允許英國人發表相關數據，結果，專家驗證後發現，這次實驗並沒有成功。這期間，各國實驗都沒什麼進展，政府不願意再多投錢，研究經費減少。1958年，科學家們在日內瓦開了個會，大家合計合計，看看有什麼更好的核聚變方案。蘇聯科學家薩哈羅夫提出的「託卡馬克」概念，走進大眾視野。

「託卡馬克」，俄語意思「環狀磁容器」，這個裝置類似汽車輪胎，中空的，尺寸比輪胎大得多。在強磁場作用下，高溫等離子體懸浮起來，被約束在環狀腔體內，不接觸設備內壁。

蘇聯人剛拿出該裝置時，西方國家覺得這是騙人的玩意兒，就憑他們那點技術，能實現可控核聚變? 1969年，英國科學家跑到莫斯科查看，結果發現，這個方案是真的有效的。歐美各國知道消息後，一哄而上，紛紛建造起託卡馬克。1982年，美國搞出了TFTR，1983年，歐洲弄出了JET，1985年，日本研製出JT-60。三套設備中，聚變產生的能量已經接近外界輸入的能量，好比做生意，收入等於支出，不賺不虧。要是聚變能量再大點，就能支持發電了。怎麼做才能實現呢？建造更大的託卡馬克。更大意味著更多的投資，單個國家無法承擔，於是就有了「國際熱核聚變實驗堆（ITER）」計劃。

1985年，項目啟動，當時僅有四個國家參與，分別是：美國、蘇聯、歐共體、日本。新組織獨立於聯合國原子能委員會。所謂的「國際」項目，實際上是排他的，只有強國才能玩得起。其他國家要想加入也行，只能以這某個成員國的「小夥伴」身份加入。加拿大是以歐共體小夥伴身份參加的。當時，中國經濟、技術落後，沒人肯帶我們。

項目討論了近十年，到1996年預算才出來了，至少一百億美元。美國一看，立馬退出。在這上面燒這麼多錢，肯定影響國內聚變研究。而且國會要照顧石油利益集團，不會輕易撥款支持新能源。俄羅斯也有難處，經濟出現問題，靠賣石油續命，對合作計劃不上心。日本股市、房市泡沫破裂，出這麼多錢，心疼。只剩下歐盟自己吆喝了，項目一直沒有實質進展。

花開兩朵，各表一枝。自上世紀70年代起，中國就開始研究託卡馬克裝置了。只是當時受技術和資金制約，建造規模很小，沒有實力參加「國際熱核聚變實驗堆」項目。後來，蘇聯解體，莫斯科庫爾恰託夫研究所寫信給中國，願意贈送超導託克馬克裝置T-7。庫爾恰託夫研究所前身，蘇聯科學院原子能研究所，世界上第一座原子能核電站，在這裡設計的。1979年，該所建造了T-7，剛建好不久，蘇聯又搞出了一個更大的T-15，所以T-7一直閒置著吃灰了。俄國人為什麼送給我們？往大了說，可控核聚變涉及全人類利益，各國都會有合作，贈送舊設備很正常。往事實際上說，蘇聯剛解體，俄羅斯沒有多餘的錢修理維護。當然我們也沒白拿，以物易物，據說回贈了他們兩車皮羽絨服。

隨後T-7被拆解運往中國。整套設備非常舊，跟垃圾堆裡撿的一樣。經過重新設計、改造，1994年，建成HT-7超導託卡馬克，也被叫作「合肥超環」。中國掌握了超導託卡馬克技術，成為第四個擁有此類裝置的國家，前面三個分別是俄羅斯、日本、法國。在新設備上，中國科學家做了很多實驗，讓等離子體中心電子溫度達到1200萬度，並維持到400秒，打破法國人的記錄。HT-7平臺，培養了一批工程師，為後來建造「東方超環（EAST）」奠定基礎。

「合肥超環」上很多零件從俄羅斯進口，壞了，還得請俄羅斯專家修理，核心技術並沒有百分百國產化。後來，我們在這方面下了苦功夫，做了很多關鍵技術。等到了「東方超環」的時候，絕大部分部件都實現了國產。中國的聚變研究在世界舞臺嶄露頭角，「國際熱核聚變實驗堆」項目也了中國身影。2002年，歐盟、日本、俄羅斯經過協商，歡迎中國參加。之後，美國宣布重新加入，韓國、印度也被拉進來。

實驗堆建造任務怎麼劃分的呢？歐盟承擔46%，剩下的6家，各自承擔9%。計劃的挺好，結果實行起來，又出問題了。法日兩國圍繞選址的問題爭執不下 。

法國人提議，地址選在馬賽附近的卡達拉舍，那裡氣候條件好，有現成的研究設施。日本人認為，青森縣六所村最合適，靠近港口，離美軍基地近，他們還表示願意承擔項目30%的費用。美國政府表面上態度中立，都是盟友，不能拉偏架。俄羅斯希望和歐洲搞好關係，支持法國。此時，中國的態度就很關鍵了。日本代表團私下承諾，如果中國科學家支持日本，項目建成後，日本出讓10%的高層職位。中國專家拒絕了，理由是：青森縣地震頻發，美軍基地發生過誤射飛彈的事情。後來，日本政府做出了讓步，同意場址選在法國，但提出了幾個條件：歐盟承擔一半建設費用，卡達拉舍總部的20%工作崗位提供給日方，工程建造合同儘量給日本公司。

「國際熱核聚變實驗堆」項目，原計劃持續35年，前10年建設反應堆，中間20年操作實驗，最後5年拆除反應堆。從2006年七個成員共同籤署協議算起，已經過去了14年，工程還沒完工，為什麼？項目太龐大，困難超出了最初預期，導致工期一拖再拖。參與的國家多，各有利益訴求，相互扯皮。雖然中國按照進度，保質保量完成任務，可其他幾家不給力。

最後法國急了，再拖延下去，黃花菜都涼了。於是2019年，由中核集團牽頭，成立中法聯合體，和原來的項目組織方籤訂協議，實驗堆核心部件的生產與安裝交給中國。之後，工程建設速度立馬加快。今年5月，中方完成杜瓦底座安裝。這個1200噸的大傢伙就相當於樓房的地基，託卡馬克裝置所有重要設備都要放在上面。

中國可控核聚變技術的進步，也引發了某些國家的擔心。ITER項目中，其他6個參與方，甚至一度討論把中國踢出去。可惜，如今沒有中國的支持，ITER工程無法繼續。以前，歐美禁運聚變實驗設備，現在，「中國製造」卻成了主力。2007年，中科院的「東方超環」建成後，各國科學家紛紛要求參與試驗。這幾年，每次試驗，都有100多個外國專家前來觀摩。

中國作為負責任大國，沒有推卸國際責任，努力讓ITER項目趕上日程，計劃2025年完工。這也要其他成員共同協作，如果再扯皮，估計又要往後拖。不過，我們不會把雞蛋放在同一個籃子裡。2017年，中國決定建造自己的聚變工程試驗堆（CFETR)，體積與「國際熱核反應堆」相當，借鑑了前者的很多技術，計劃2035年建成，並進行大規模科學實驗。一切順利的話，到2050年，中國將建設聚變商業示範堆，製造人類終極能源。

目前，全球技術最先進的託卡馬克包括: 法國的Tore-Supra、俄羅斯的T-15、日本的JT-60U、中國的EAST，但這僅是實驗裝置，主要用作研究，而「中國聚變工程實驗堆（CFETR)」是將研究推向實用化。可以理解為，前者是模型火車，後者是高鐵。未來，如果有一盞燈能被聚變點亮，這盞燈一定是在中國。

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