融合的未来

一开始是合成的声音从10开始倒数。当它击中一点之后，一片寂静。然后是一种微弱但不寻常的声音;介于高速公路交通的轰鸣声和喷气式发动机全速行驶的尖叫声之间。两台平板电脑屏幕亮起了一幅非凡的图像;一个胖胖的、倒着的粉红色的光泪滴——边缘变成白色，中心变成黑色——照亮了一个紧密弯曲的管子的内部。泪滴的中心是墨黑色的。

“那块地方太热了，不能发光，”我的导游说。“它会发射x射线。”

“那有多热?”我问。他说，这是一亿摄氏度。“比太阳热十倍。它是太阳系里最热的地方，只有几秒钟。”

“那就是核聚变发生的地方吗?”“哦，是的。”

这是很平常的一天联合欧洲环面(JET)，世界上最大的核聚变实验，在牛津郡农村。JET现在已经有20多年的历史了，它保持着利用核聚变发电的记录——16兆瓦的能量。但它保持纪录的日子屈指可数。

去年11月，来自欧盟和其他六个国家(日本、中国、俄罗斯、韩国、印度和美国)的代表签署了一项建设协议ITER,JET的后继者，位于法国南部的Cadarache。ITER以JET的设计为基础，但规模是JET的两倍，旨在成为第一个达到净能量目标的聚变反应堆，即从反应堆中获得比投入更多的能量。它的目标是在10分钟内产生500兆瓦的电力，这应该是证明核聚变是一种可行的能源生产方法的关键一步。

这是一项巨大的事业，JET将继续在其中发挥重要作用。这两台机器都是托卡马克反应堆的一种，托卡马克是俄语的首字母缩写，意思是“磁线圈中的环形室”。托卡马克首次发明于20世纪50年代，是一种环形真空室，利用磁场来限制和操纵原子核、自由电子和被称为等离子体的基本粒子组成的热汤。这是核聚变的原料。

聚变发生在不同类型的氢原子的原子核，氘(D)和氚(T)，结合在一起形成氦核。这个反应释放出能量和一个中子，中子从氦核中以巨大的力量喷射出来。核聚变反应堆的目标是捕捉高速中子释放的能量和动能。

释放的能量是巨大的。问题是氢核都带正电荷，并且相互排斥。迫使粒子足够近地融合，保持高温，并使等离子体远离反应堆壁，需要巨大的能量输入。

到目前为止，还没有反应堆，包括JET，能够通过核聚变产生比最初产生这种现象所需的更多的能量。事实上，在全世界正在运行的16台托卡马克中，只有JET拥有辐射屏蔽和处理设施，可以使用具有放射性的氚。这意味着它是目前唯一能产生核聚变的粒子;这也是它成为ITER理想试验台的原因之一。

一旦聚变在ITER内部开始，由反应产生的氦核(也称为α粒子)将与等离子体中的其他粒子碰撞，加热物质。随着阿尔法加热的增加，等离子体的外部加热源——快速氘原子的注入和射频加热——可以减少，因此等离子体可以维持自己。这种状态被称为燃烧，在聚变反应堆上从未实现过，因为它只能发生在相对大体积的等离子体中。

研究主管弗朗西斯科·罗曼内利(Francesco Romanelli)说:“我们已经在JET的D-T操作中实现了聚变反应。”“但对于自我维持的反应，我们需要等离子体损失的能量低于聚变反应产生的能量，为了减少损失，你必须增加体积。”

等离子体的限制由三组磁铁产生，一组位于环面中心(中心螺线管，CS)，一组包围环面本身(环面磁场磁铁，TF)，另一组位于环面外(极向磁场磁铁，PF)。因为等离子体中的粒子是带电的，磁场使它们移动。CS磁体和TF磁体产生的磁场结合在一起，使粒子围绕环面运动。ITER磁体部门负责人尼尔·米切尔(Neil Mitchell)说:“如果你想象一个带电粒子四处运动，磁场会让它沿着一个螺旋路径，从环面外部到内部。”

等离子体电流的强度是托卡马克约束能力的衡量标准;强电流意味着等离子体中的粒子被迫靠得更近。罗曼内利说:“世界上大多数托卡马克都在1毫安的等离子电流下工作。”“JET是唯一一个能达到5MA的。ITER将有15MA。“电流也是一种加热元素，就像电灯泡中的发光灯丝加热周围的空气一样。”

米切尔说，PF磁铁“提供了磁性瓶”。“电子在等离子体周围流动，但为了让它们远离等离子体壁，你需要一组磁场来推动它们。”

在JET上，这些磁铁是由传统导体制成的，维持磁场所需的电力是它不能产生净功率的重要因素。但在ITER上，它们将是超导体——迄今为止建造的最大的超导磁体。这将减少维持反应堆运行所需的电力。米切尔说:“我认为，如果托卡马克没有超导体，你就可以忘掉它。”

“从很多方面来看，ITER是一个独特的案例。它的磁场比其他托卡马克都要大得多，而且它的不同寻常之处在于它是一台核聚变机器。这意味着它有很多中子，所以有屏蔽磁铁的问题。就磁体中储存的能量而言，这是迄今为止最大的。它们的容量约为50GJ，下一个是700MJ。”

ITER将在磁体中使用两种超导体。PF线圈将由铌(Nb)和钛合金制成，这是一种相对容易加工的材料，米切尔说:“它很好，而且具有延展性，我们可以在现场缠绕。”

CS和TF线圈将由铌和锡(Nb3Sn)的化合物制成，这是一个完全不同的命题。“它可以制造非常强大的磁铁，这就是我们需要它的原因——我们需要12特斯拉的磁场强度。但这很痛苦，因为它很脆。当它是延展性的时候，你就会形成线圈，然后在600°C的温度下进行200小时的热处理。

此前最大的Nb3Sn线圈是我们在日本生产的型号;我们用了30吨的材料。对于ITER，我们将使用300吨。这是一个巨大的工程挑战，尽管问题实际上主要是在机械工程方面，处理大型钢支撑结构的应力。”

磁体材料是低温超导体，整个真空室和磁体包含在一个低温室中，由4.5K的超临界氦冷却。

米切尔说:“现在建造托卡马克不受限制的原因之一是人体冷冻技术的进步。”“ITER的低温装置将是30-40千瓦，与欧洲核子研究中心的相当。“如果ITER实现了自持聚变，对磁铁和人体冷冻技术的低功率要求意味着它将产生比消耗多10倍的能量。

ITER独特的运行条件也导致其建筑材料发生更多变化。氘氚等离子体对真空容器中使用的材料有影响，特别是直接面对等离子体的壁。现有的托卡马克，包括JET，衬里都是由碳纤维复合材料制成的瓦片，这种瓦片导热系数非常低，具有机械韧性，并能抵抗磁力。但它不能用于ITER。

JET“类似ITER的墙”项目负责人盖伊·马修斯(Guy Matthews)说:“如果你照镜子，你就会明白为什么不能在ITER中使用碳。”“你看到的是碳氢化合物化学，非常复杂和丰富。如果你有一个氢等离子体，把它放在石墨旁边，它会形成各种碳氢化合物。在ITER中，这会建立起氚的储存库，而我们绝对不想这样。”

取而代之的是，ITER将内衬金属。它必须是一种能够承受高真空和环面内极高温度的金属，因此考虑了硬质工程金属，如钨。

但ITER决定使用一种更奇特的金属来处理大部分内表面:铍。马修斯解释说:“这是一种熔度相对较高的金属，比铝轻，比钢硬。”它的原子序数也很低，这意味着原子中含有很少的电子——这意味着等离子体对这种材料的容忍度很高，因为它不能在等离子体通量中释放太多电子。

几乎不可避免地，JET是唯一具有处理铍的经验和设备的托卡马克。这种金属有毒且致癌，必须在严格的预防措施下处理。马修斯解释说:“我们有一些以前用过的铍组件，我们把它们回收成新的，这给了我们4吨铍，我们正在为JET制作新墙的瓷砖。”

马修斯说，环面的内衬对等离子体的行为方式有着深远的影响，因为等离子体从环面的壁上吸收的杂质改变了它的组成。一旦新墙安装好，JET将被用作一次彩排，以确定铍衬里ITER的运行机制。

铍易碎。环面内部的热量会使它膨胀和收缩这些热应力会使铍瓦破裂。出于这个原因，它们被打上了一个深网格的切口，被称为“castellations”，这可以防止这些应力在大范围内发展，并被塑造成一系列角度谨慎的山脊，这样等离子体的热量就不会以直角撞击到表面。马修斯说:“我们必须制定机器保护方案。”“碳纤维在过热时会升华，但铍有一定的熔点，熔点会对反应堆的稳定运行产生更严重的影响。”为了避免这种情况，我们需要对血浆进行更多的控制。”

更换JET中的瓷砖将是一项主要工作;有5000个，去除碳复合瓦和安装新的铍皮必须使用JET的远程处理系统来完成。马修斯说:“我们的目标是在不到一年的停机时间内更换整个机器内部，新墙应该在2009年安装到位。”

反应堆中唯一没有内衬铍的部分是环面底部的沟槽，称为分流器，在那里等离子粒子被减速以耗尽它们的能量。因为等离子体在这个区域相对没有能量，它可以与结构中有更多电子的更重的金属排列在一起。ITER将在该地区使用钨瓦，JET也将测试这种配置。

ITER的铍瓦将与JET的有显著不同。在JET上，等离子体脉冲持续时间不到10秒，所以瓦片是固体铍，厚度足以吸收脉冲产生的热量。ITER的10分钟脉冲将产生更多的热量，因此它的等离子体面壁将由一层铍与铜铬锆合金结合而成，而铜铬锆合金又结合在构成真空容器的不锈钢结构上。主动冷却系统将从钢层延伸到铜合金。

制作这个金属三明治说明了ITER的七人结构是如何使问题复杂化的。ITER的真空容器、端口和热屏蔽部门负责人Kimihiro Ioki解释说，其中6个合作伙伴将为真空容器壁做出贡献。铍可以通过两种方法附着在铜合金上——快速钎焊或热等静压(HIPing)。他说，五方已经同意HIPing协议，但俄罗斯一方更愿意继续坚持;他们有非常好的钎焊技术，但国内没有HIPing能力。”

钎焊可以使铍更脆，因为它可以与铜层形成金属间化合物。Ioki说，这在曲面部件中尤其是个问题，因为那里往往有很多缺陷。“所以我们简化了环面的几何形状，”他说。而不是一个光滑的双曲面，环面将由大量的平面面片和相对较少的弯曲部件组成。“HIPing可以处理曲面，但即使对于HIPing来说，多面结构也有优势——它更便宜，我们可以更容易地准备备件。”

Ioki还负责项目的一部分，这在其他任何地方都没有尝试过。这被称为“毯子”，由一系列含有锂的模块组成。一旦聚变反应开始，快中子将击中锂并将其转化为氚，氚将扩散到等离子体中为聚变反应提供燃料。

Ioki说，在一个商业核聚变反应堆中，整个内部表面将被氚繁殖毯覆盖，但即使在ITER的后期阶段，也只有70%的表面会被覆盖，ITER已经运行了10多年。最初，将使用2米宽、3米深的“测试毯”模块，测试几种不同配置的毯，使用固体或液体锂和各种不同的冷却剂。

因此，即使ITER达到了预期的性能，它仍然不能完全自我维持。一些氚将从反应堆外部供应，加热系统仍将使用，作为控制等离子体系统的一部分。

所有这些组件和系统都处于测试阶段，每个参与ITER的人都强调这是一个科学实验，而不是一个发电站。ITER总干事池田加名(Kaname Ikeda)说，尽管它将有500兆瓦的输出，但它不会与发电机械相连。“下一步将会有一个被称为DEMO的示范工厂，位于ITER和可能的商业核聚变电站之间。”

根据该项目的时间表，ITER将在2016年产生第一个等离子体，在2020年左右进行第一次D-T聚变。池田说，我们致力于2016年。“我们正在按计划进行，但我们正在组建一个团队，并进行设计审查。ITER是一个非常复杂的机器，这是一个真正的挑战。”

池田的部分挑战是管理ITER的预算:50亿欧元(33亿英镑)用于建设，50亿欧元用于20年的运营和退役。这一数字引起了一些能源分析人士和环保人士的批评，他们更希望把钱花在可再生能源发电技术的开发和部署上;他们认为，这些都是现成的。

但池田坚信核聚变不仅是一项好的投资，而且是至关重要的投资。他说，我们需要各种各样的能源，在全球变暖的问题下，核聚变是一个很好的选择。

它不会产生温室气体，更重要的是它的效率令人难以置信——对于给定质量的燃料，核聚变产生的能量应该是核裂变的数百倍，是化石燃料的数百万倍。

根据英国皇家学会在美国，笔记本电脑电池中锂的质量和半浴水中的氘的质量可以提供足够的核聚变能量，供一个普通人使用30年。

此外，与核裂变技术不同，核聚变技术没有军事用途，而且像切尔诺贝利或三里岛这样的灾难性核事故是不可能发生的，因为反应堆的燃料只够运行几分钟。根据JET的盖伊·马修斯(Guy Matthews)的说法，ITER内的等离子体重量不到一克，如果发生事故，它释放的能量会“比你洗热水澡时释放的能量还少”。

它产生的唯一核废料是托卡马克本身，中子轰击会使其具有放射性。然而，这种活动将在100年后降低到安全水平，而与ITER相当大小的托卡马克(这应该是商业反应堆的典型设备)产生的废物将能装进一个10米立方体。

至于价格，池田坚称物有所值。他说，有一个简单的比较。按照目前的油价和消费速度，ITER的整个预算——建设、运营和退役——还不到全世界三天的石油支出。