核聚变梦想破灭了吗？国际实验反应堆为何陷入“大麻烦”

参与该项目的 35 个国家的 Iter 项目有着开创性的目标，即创造清洁和无限的能源，但它正在变成“历史上最拖延、成本最高的科学项目”

来源：科技世代千高原

编辑：Robin McKie科学

2024 年 8 月 3 日星期六 17.00 BST

这是一个承诺使用太阳的项目。研究人员将使用世界上最先进的技术来设计一台能够产生原子聚变的机器，而原子聚变正是驱动恒星的过程，从而创造出一种廉价、无污染的能源。这最初是国际热核实验反应堆 (Iter) 的目标。35 个国家（包括欧洲国家、中国、俄罗斯和美国）同意在法国南部的圣保罗莱迪朗斯建造该反应堆，初始成本为 60 亿美元。该反应堆于 2010 年开始建设，并承诺到 2020 年将实现能产生能量的反应。

然后现实开始显现。成本超支、新冠疫情、关键部件腐蚀、最后一刻的重新设计以及与核安全官员的冲突引发了延迟，这意味着 Iter 还要再等十年才能准备就绪，这是刚刚宣布的消息。更糟糕的是，产生能量的聚变反应要到 2039 年才能产生，而 Iter 的预算——已经飙升至 200 亿美元——将再增加 50 亿美元。

杂志则简单地指出，Iter 现在“陷入了大麻烦”，而 科学家警告称，目前有数十家私营公司威胁要在更短的时间内建造聚变反应堆。 其中包括 牛津的托卡马克能源公司 和美国的 Commonwealth Fusion Systems 。

“问题在于，Iter 计划已经进行了很长时间，并且经历了多次推迟，而世界其他国家已经放弃了它，”英国科学技术设施委员会的核聚变专家罗比·斯科特 (Robbie Scott) 表示。“自 Iter 计划启动以来，出现了大量新技术。这给该项目带来了真正的问题。”

如今，一个问号笼罩着世界上最雄心勃勃的技术项目之一，该项目旨在控制驱动恒星运转的过程。该项目涉及两个轻原子的原子核被迫结合成一个更重的原子核，同时释放出大量能量。这就是核聚变，它只发生在极高的温度下。

为了产生这种热量，环形反应堆（称为托卡马克）将利用磁场来容纳氢原子核等离子体，然后粒子束和微波轰击这些等离子体。当温度达到数百万摄氏度时，两种氢同位素（氘和氚）的混合物将聚变形成氦、中子和大量过剩能量。

在如此高的温度下控制等离子体极其困难。“最初计划在托卡马克反应堆内衬上保护性铍，但结果发现非常棘手。铍有毒，最终决定用钨代替，”牛津大学材料科学与工程教授戴维·阿姆斯特朗说。“这是很晚才做出的重大设计变更。”

随后，韩国制造的托卡马克装置的巨大部件被发现无法正确组装，而放射性物质可能泄漏的威胁导致法国核监管机构叫停了该核电站的建设。随着问题越来越多，建设也进一步推迟。

然后是新冠疫情。Iter 总干事 Pietro Barabaschi 承认：“疫情导致供应零部件的工厂关闭，相关劳动力减少，并引发了影响——例如运输积压和进行质量控制检查的挑战。”

因此，Iter 再次推迟了完工时间——直到下一个十年。与此同时，使用其他核聚变方法的研究人员取得了突破。2022 年，位于加利福尼亚州的美国国家点火装置表示，它已使用激光对氘和氚进行过热，并将其聚变以产生氦和过剩能量——这是 Iter 的目标。

其他核聚变项目也声称它们很快也会取得突破。“过去 10 年，私营核聚变公司数量大幅增长，它们承诺采取与 Iter 不同的方式——速度更快、成本更低。不过，公平地说，有些公司很可能言过其实，”伦敦帝国理工学院物理学研究员 Brian Appelbe 表示。

Iter项目是否能安然度过这些危机以及它的支持者是否会继续为其提供资金还有待观察——尽管《观察家报》联系的大多数科学家认为，该项目仍有有希望的工作要做。

一个例子是研究如何生成氚，氚是聚变反应堆必不可少的稀有氢同位素。这可以在聚变反应堆现场进行，利用其产生的中子轰击锂样品，这一过程会产生氦和氚。“这本身就是一项有价值的实验，”阿佩尔贝说。

而 Iter 则否认自己“陷入了大麻烦”，并否认这是一个创纪录的科学项目，因为成本超支和延误。一位发言人说，只要看看国际空间站或英国的 HS2 铁路线就知道了。

其他人指出，核聚变发电的有限碳排放量将推动应对气候变化的斗争。“然而，核聚变的出现为时已晚，无法帮助我们在短期内减少碳排放，”曼彻斯特大学核聚变研究员阿尼卡·汗 (Aneeqa Khan) 表示。“只有核聚变发电厂在本世纪后期生产出大量电力，它们才能帮助我们降低碳排放量——而这将成为应对气候变化的关键。”

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