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把太阳装进瓶中

伦敦——今年12月,各国领导人将汇聚巴黎召开联合国气候变化会议,届时他们将再次尝试制定一项温室气体减排的全球性协议。尽管谈判代表们全力达成妥协难免让人感觉似曾相识,但他们绝对不能放弃。无论考虑何种政治经济因素,都无法改变这样一个事实:如果全球气温比工业革命前上升超过2℃,给地球造成的后果将是灾难性的。

但减排并不是唯一的挑战。事实上,即使到2050年我们完成向清洁世界的过渡,长远看我们还需要确定如何满足不断膨胀的全球人口对能源永不知足的需求——上述需求仅靠可再生能源势必无法满足。因此我们现在就要投资补充可再生能源及确保未来数百年电力供应的其他技术。其中最具前景的技术是核聚变——核聚变为太阳和星星提供了源源不断的能量。

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地球核聚变的主要能源来自锂和氘(氢的同位素),这两种主要集中在海水和地壳中的元素是低碳能源的源头。核聚变电站每年只需要约450千克燃料,既不会造成大气污染,也不会发生导致环境放射性污染的事故。

不过,虽然聚变过程产生了一定能量(具体来讲是1,600万瓦特),科学家们还没有成功完成能自我持续的核聚变“燃烧”过程。事实上,不同于在短短二十年中就完成了从实验室向电网过渡的核裂变,核聚变这块骨头要难啃得多。

问题在于核聚变要连接两个带正电的原子核——基础科学显示同符号电荷是相互排斥的。只有在极端高温(超过1亿摄氏度)或比太阳炙热10倍的温度下,原子核的移动速度才能克服阻力实现聚合。

科学家们花了六十年时间试图找出创造这些条件的最佳方法。今天,领先的是一台名叫“托卡马克”的设备,该磁瓶温度高达1亿到2亿摄氏度,能使燃料在发生聚变的同时释放出巨大的能量。

当然,把太阳装进瓶子里是个不小的挑战,尤其还要确保消费者愿意为系统所产生的电能付费。但在法国南部一个阳光明媚的角落,一个以工业化规模测试相关技术、创造有史以来首次受控聚变燃烧的全球性大型项目正在进行当中。

所谓“国际热核聚变反应堆(ITER reactor)”的一切都极其庞大。其重量超过三座艾菲尔铁塔;所用超导磁体材料拉直后可以绕地球赤道两周;该项目价值150亿欧元(合168亿美元),当之无愧成为史上规模最大的国际科研项目。ITER合作国——中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国——占据了全世界将近一半的人口总数。如果项目取得成功,该反应堆将产生五亿瓦的聚变电能,从而为商业反应堆的应用开辟道路。

但托卡马克并不是唯一的聚变项目。其他设计正源源不断加入到聚变能的竞争队伍之中。位于加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置向燃料舱发射高能激光粒子、通过粒子挤压诱发聚变反应也取得了不俗的成果。

其他地方,尤其是在美国,私人资助的聚变研究如雨后春笋般不断涌出。这些项目各有被誉为“能量圣杯”的独特理念。但作为最先进的设计,托卡马克仍貌似最安全的赌注,但来自其对手的竞争只能刺激进一步的创新和进步。

有些人不赞成投资核聚变,称鉴于该技术离进入市场依然遥远,将财政资源配置到久经考验的能源项目才是最佳选择。批评人士的话有一定道理:鉴于聚变只能大规模进行,需要满足的投资需求相当巨大。

20世纪70年代,美国研究人员曾预计实现核聚变发电并网需要在1990到2005年间每年20-30亿美元的研发投入(具体投资规模取决于工作量情况)。他们还估算了最低投资水平(低于该水平永远不可能建立聚变电厂)。30年来核聚变研究预算一直处于该水平之下。

但核聚变的潜力大到令人无法放弃的地步。事实上,近年来已经取得的进展——尽管在投资严重不足的情况下——依然证实了反对者的错误。世界各地的设备都已经达到核聚变的温度要求,拓展了我们的技术能力。21世纪20年代初ITER试验真正开始时将体现上述进步,实现我们期待已久的核聚变燃烧——届时我们距离将廉价核聚变电能并网的终极目标将只差一步。

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如果没有核聚变,子孙后代的能源选择将会受限严重——由此为发达及发展中国家带来的问题都非常严重。托卡马克的发明者阿基莫维奇曾说“社会需要时核聚变将应运而生。”希望他说得是对的。但与其依赖研究人员挑战自身命运,世界各国应该加大投资核聚变技术。这将决定我们的未来。

翻译:Xu Binbin