可控核聚變模擬太陽中的核反應，被視為理想的清潔能源，目前該領域在建的規(guī)模最大的研發(fā)項目——國際熱核聚變實驗堆（ITER）也被寄予厚望。它將幫助科學家延長可控核聚變反應的持續(xù)時間，測試相關技術，最終實現穩(wěn)定供能。

2023 年 6 月 2 日，ITER 施工現場。圖片來源：iter.org

但是另一方面，ITER 的建設也是對工程技術的巨大挑戰(zhàn)。自從項目啟動以來，它的開機時間多次推遲，預算也不斷增加。最近，《科學美國人》（Scientific American）記者查爾斯·塞費（Charles Seife）報道，ITER 很可能無法在 2025 年如期啟動，甚至沒有人知道明確的時間計劃和因此增加的預算支出[1]。

ITER 沒有回應塞費的采訪請求，但是在近日宣布將于 2024 年公布新的時間表[2]。

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可控核聚變

十年又十年

ITER 實驗設施位于法國南部，項目于 2006 年啟動，最初計劃在 2016 年開機，預算為 50 億歐元（約合人民幣 500 億元）。這也是人類歷史上規(guī)模最大的科研合作項目之一，共有 35 個國家參與，由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實施。中國承擔了 ITER 約 9% 的工作，包括一些關鍵部件的研發(fā)生產。

然而，這項工程的復雜程度一再超出了最初的預想。ITER 最近一次公布時間計劃是在 2016 年，當時預計將在 2025 年啟動實驗，2035 年開始進行氘-氚聚變反應[3]?！犊茖W美國人》報道指出，ITER 的許多核心部件交付時間都比預期晚了一兩年，有的甚至還要更久。ITER 核心設備——托卡馬克聚變反應堆原本計劃在 2018 年開始組裝，實際組裝時間是 2020 年 7 月。

2020 年發(fā)生的新冠疫情對世界各國的科研、生產和海運造成了沖擊，進而影響了 ITER 的進度[4]。還有部分部件到位后出現問題，需要維修或更換。2022 年 1 月，法國核安全局（ASN）叫停了 ITER托卡馬克的整體組裝，認為它在支撐結構和輻射防護方面不符合安全標準[5]。ITER 表示將處理問題，確保相應部件達到設計要求。截至目前仍然沒有公開信息說明組裝何時重新開始。

ITER 托卡馬克裝置示意圖。圖片來源：iter.org

今年 1 月，ITER主任皮耶特羅·巴拉巴斯基（Pietro Barabaschi）對法新社（AFP）透露，ITER 可能無法在 2025 年如期啟動[6]?！犊茖W美國人》記者塞費批評 ITER 沒有及時披露項目進度。根據他通過法律途徑（lawsuit）獲得的內部文件，ITER 的完工時間現無法確定，可能無法實現 2025 年點火的目標。

設備更換和項目延期也導致 ITER 的開支越發(fā)高昂，最新的公開預算已高達 200 億歐元（約合人民幣 1565 億元）。目前 ITER 項目網站上顯示“最新時間表和預算計劃仍在審核中”。

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大科學項目的窘境

ITER 又被稱為最大的“人造太陽”?？煽睾司圩兊姆磻砼c太陽內部情況類似：在熾熱的溫度下，氘和氚反應產生氦和中子，同時釋放出大量能量。和現有基于核裂變的核電技術相比，可控核聚變不僅效率更高，產生輻射污染的風險也大大降低。它不產生難以處理的放射性核廢料，并且由于反應條件苛刻，在設備故障時就會自發(fā)停止反應。

但是，由于發(fā)生聚變反應的等離子體溫度極高，性質不穩(wěn)定，這個過程對反應條件的要求極其苛刻?？煽睾司圩兊膶崿F方案主要有三種方式：引力約束、慣性約束和磁約束，其中磁約束可控核聚變裝置又叫作托卡馬克（磁線圈環(huán)形真空室，Tokamak）。它的結構就像一個巨大的甜甜圈，借助強大磁場將發(fā)生核聚變反應的等離子體約束在內部，而不與容器發(fā)生直接接觸。

ITER 建成后將成為全世界最大的托卡馬克裝置，整體重量達 23000 噸[7]。環(huán)形空腔內的等離子體溫度將達到 1.5 億℃，達到太陽核心溫度的 10 倍。空腔外部的超導磁體則需要在接近 -270℃（液氦溫度）的極低溫度運行。“冰火兩重天”都不足以形容這樣的溫差。

中國為 ITER 加工用于超導磁體的饋線，這些部件需要在極低溫到室溫的過渡區(qū)間內工作[8]。圖片來源：iter.org

為了滿足這樣苛刻的實驗條件，ITER 對工程技術的要求和建設成本非常高。所以，像 ITER 這樣的大科學項目往往以多國合作的形式進行，分攤研發(fā)任務和資金投入，最終共享研究成果。然而，這樣的合作模式也對管理造成了挑戰(zhàn)，超支和屢屢“放鴿子”的狀況并不罕見。一個有名的“鴿王”就是詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）。它由美國、歐洲和加拿大共同研發(fā)，最初計劃用十年完成，最后花了二十年，預算也從 10 億美元一路上漲到超過 100 億美元。

JWST 最終于 2021 年底發(fā)射升空，已經幫助天文學家作出了不少新的發(fā)現。但《科學美國人》報道依然忍不住提醒大家：JWST 就位后立即就能提供觀測數據，而 ITER 啟動之后還需要花十年時間反復實驗，才能進行關鍵的氘-氚聚變反應。

5 月 23 日，美國航天局（NASA）發(fā)布 M74 星系最新圖像，由韋布望遠鏡與其他望遠鏡觀測數據合成。圖片來源：NASA

大科學裝置失敗的典型案例大概就是半途而廢的美國超導超級對撞機（SSC）。該項目一共有包括中國在內的 15 個國家和地區(qū)參與，后來由于預算攀升被叫停。此時，項目建設已經花了 20 億美元[9]。這一決策曾經使物理學界深感不安。知名美籍華裔物理學家李政道稱，SSC 的停工之日是美國科學史上黑色的一天[9]。

當年 SSC 的設計體量和反應能量達到歐洲大型強子對撞機（LHC）的 4 倍。SSC 主任羅伊·施維特斯（Roy Schwitters）認為，如果這個項目能堅持下去，物理學家或許能夠提前十年發(fā)現希格斯玻色子[10]。

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“制造太陽”的科學家

盡管 ITER 項目一再受挫，但可控核聚變領域近年來仍然取得了許多重大進展。首先是實現了“能量凈增益”，即輸出能量大于輸入能量?？煽睾司圩兎磻獥l件苛刻，啟動和維持反應需要大量的能量，所以在過去六十多年中，反應消耗的能量一直比產出要多。直到 2022 年 12 月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）團隊才扭轉局面。

LLNL 基于慣性約束技術，在國家點火設施（NIF）輸入 2.05 兆焦的能量，產生的能量為 3.15 兆焦，凈增益超過了 1[11]。雖然這些能量只夠燒開水，還遠遠無法滿足應用需求，但這仍然是一項里程碑式的成就，被譽為“可控核聚變的圣杯”。在未來，ITER 的目標是將輸出能量與輸入能量的比值提升到 10 倍以上。

為了實現穩(wěn)定供應能源的前景，基于磁約束技術的ITER還需要滿足兩個條件：一是反應功率足夠大；二是能夠長時間運行。在這些方面，中國科學家也在不斷刷新紀錄。2022 年 10 月，中國環(huán)流器二號 M 裝置（HL-2M）創(chuàng)造等離子體電流強度新紀錄，達到 100 萬安培（1 兆安）[12]。HL-2M 的等離子體電流能力理論上可達 2.5 兆安以上，而未來的可控核聚變能源需要在兆安級電流下穩(wěn)定運行。

在運行時間方面，今年 4 月，中國的“東方超環(huán)”全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）刷新穩(wěn)態(tài)運行時間紀錄，達到 403 秒，遠高于它在 2017 年創(chuàng)下的 101 秒的紀錄[13]。作為 ITER 中國工作組的重要成員，EAST 團隊的成就也能為 ITER 的未來貢獻一份力量。

近年來，產業(yè)界也對可控核聚變表現出極大興趣。據路透社報道，6 月 1 日，美國能源部宣布為 8 家相關企業(yè)撥款 4600 萬美元，目前全世界已有三十多家企業(yè)投身核聚變研發(fā)，比如因開發(fā) ChatGPT 而一舉成名的 OpenAI 公司創(chuàng)始人山姆·奧特曼（Sam Altman）也投資了一家核聚變公司[14]。該報道認為，在政府和資本的大力支持下，可控核聚變產業(yè)預計在 2035 年到 2050 年逐漸成熟。

可控核聚變的應用，這一次真的要實現了嗎？無論 ITER 最終走向何方，它仍然間接促成了超導磁體、材料科學等多個領域的科研創(chuàng)新，參與各方也能從中積累國際合作、項目管理等方面的重要經驗。但是，如果項目順利進行，這樣大體量的實驗設備一定能帶給我們更多的驚喜。

參考文獻：

[1] Seife C 2023, World’s Largest Fusion Project Is in Big Trouble, New Documents Reveal, Scientific American, accessed June 29, 2023. https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal/

[2] ITER 2023, 32nd ITER Council: A Focus on Updating the Baseline, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/newsline/-/3895

[3] ITER ORGANIZATION 2016 ANNUAL REPORT. https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/737/2016_ITER_ANNUAL_REPORT.pdf

[4] ITER 2021, 28th ITER Council: Steady progress despite challenges including COVID-19, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/list_items/Attachments/938/2021_06_IC-28.pdf

[5] Perrier G 2022, The Next Step in ITER Licensing, ITER, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/newsline/-/3727

[6] AFP 2023, International nuclear fusion project may be delayed by years, its head admits, the Guardian, accessed June 29, 2023. https://www.theguardian.com/science/2023/jan/06/french-nuclear-fusion-project-may-be-delayed-by-years-its-head-admits

[7] The ITER Tokamak, ITER, accessed June 29, 2023. https://www.iter.org/mach

[8] 磁體饋線系統(tǒng), 中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心, accessed June 29, 2023. https://www.iterchina.cn/ctkx/info/2018/12024.html

[9] 知識分子 2017, 參與超導超級對撞機國際合作始末, 中國科學院高能物理研究所, accessed June 29, 2023. https://ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201705/t20170504_4783471.html

[10] Joy W 2021, The Superconducting Super Collider: How Texas got the world’s most ambitious scientific project and why it failed, WFAA, accessed June 29, 2023. https://www.wfaa.com/article/features/originals/forgotten-texas-history-superconducting-super-collider-waxahachie-texas/287-8757cc57-44ff-4982-a382-65d5d7893c3f

[11] Bishop B 2022, Lawrence Livermore National Laboratory achieves fusion ignition, LLNL, accessed June 29, 2023. https://www.llnl.gov/news/lawrence-livermore-national-laboratory-achieves-fusion-ignition

[12] 2022, 突破1兆安放電 我國新一代“人造太陽”科研再獲新進展, 人民網，accessed June 29, 2023. http://finance.people.com.cn/n1/2022/1021/c1004-32549176.html

[13] 許琦敏 2023, 403秒新紀錄，中國“人造太陽”如何做到，文匯報, accessed June 29, 2023. https://www.cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml

[14] Gardner T 2023, US announces $46 million in funds to eight nuclear fusion companies, Reuters, accessed June 29, https://www.reuters.com/business/energy/us-announces-46-million-funds-eight-nuclear-fusion-companies-2023-05-31/

作者：瑪雅藍 科普創(chuàng)作者

審核：羅會仟 中國科學院物理所 副研究員