1985 年 11 月，當空軍一號降落在日內瓦時，天氣寒冷而陰沉。羅納德·里根總統前來會見新上任的蘇聯領導人米哈伊爾·戈爾巴喬夫。里根深信災難性核戰爭的風險很高，他希望減少這兩個超級大國膨脹的武庫。戈爾巴喬夫也意識到軍備競賽正在扼殺蘇聯經濟。
然而，秘密會談很快就變質了。里根就蘇聯侵略歷史訓斥了戈爾巴喬夫。戈爾巴喬夫抨擊了里根的戰略防禦倡議，這是一項雄心勃勃的計劃，旨在擊落來襲的核武器。談判幾乎破裂。凌晨五點，雙方同意發表一份聯合宣告，但沒有做出任何明確的承諾。在宣告的底部——幾乎就像腳註一樣——里根和戈爾巴喬夫插入了一個含糊的承諾，要為“全人類的利益”開發一種新的能源。
這份簡短的記錄啟動了一個專案，該專案已演變成可以說是 21 世紀最雄心勃勃的科學事業——複雜實驗技術的混合體，如果一切順利，它將為最終解決人類能源危機奠定基礎。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
ITER（原國際熱核聚變實驗反應堆）將嘗試在地球上重現太陽的能量。它將產生約 500 兆瓦的電力，是執行它所需能量的 10 倍，而使用的僅僅是氫，宇宙中最豐富的元素。該專案將證明一項技術的原理，該技術可能為能源需求旺盛的世界帶來幾乎無限的能源供應。包括美國和俄羅斯在內的七個參與成員的政治家們熱情地讓他們的國家加入了這項努力。
然而，就像孕育它的峰會一樣，ITER（發音為“伊特”）並沒有達到預期。隨著工程問題找到官僚主義的權宜之計，成本估算翻了一番又一番。例如，七個合作伙伴沒有集中資源，而是在各自的國家生產零部件，然後在法國南部的 ITER 建造現場組裝它們。這個過程類似於從目錄中訂購螺母、螺栓和支架，然後在你家的後院嘗試建造一架 747 飛機。進展緩慢。不到一年前，ITER 還是地面上一個 56 英尺深的洞，最近才被填滿了近四百萬立方英尺的混凝土。啟動日期已從 2016 年推遲到 2018 年，再到 2020 年末。首次真正產生能量的實驗將在 2026 年之前不會到來——那是建造開始後的二十年。
ITER 只是這種假定的新能源的開始。即使它成功了，也還需要進行下一代測試反應堆，只有在這些反應堆執行結束後，地方市政當局才會開始建造聚變電站來為電網供電。ITER 只是一個將持續數十年，甚至數百年的專案中的一步。
支持者認為，從長遠來看，ITER 是滿足世界對電力無止境需求的唯一希望。但即使是他們也被迫重新調整他們烏托邦式的期望。該專案現在似乎是由制度慣性推動的——對於各個政府來說，維持現狀比成為早退的孤立異類更容易。與此同時，批評者隨著每一次延誤和成本超支而擁有了更多的彈藥。他們說，在能源研究的其他領域迫切需要資金的時候，ITER 是一筆巨大的浪費。雙方都同意：當專案最終完成時，它最好能奏效。
瓶裝太陽
從理論上講，聚變是完美的能源。它依賴於物理學中每個人都聽說過的一件事：能量等於質量乘以光速的平方 (E = mc2)。由於光速非常大，E = mc2 意味著非常少量的質量可以產生巨大的能量。
所有核反應都利用了宇宙的這一基本定律。在普通核電站的情況下，重鈾核裂變產生較輕的元素。在這種裂變過程中，極小一部分鈾的質量直接轉化為能量。聚變也是一樣的，只不過是反向的。當氫等輕核結合在一起時，它們會產生比其母體略輕的氦離子。按單位質量計算，聚變燃料可以釋放出大約是鈾裂變三倍的能量。更重要的是，氫比鈾豐富得多，而且聚變的氦廢物不是放射性的。
韓國科學家李京洙 (Gyung-Su Lee) 說：“聚變具有誘惑力，他多年來致力於 ITER 談判。“這就像中世紀的人們尋找製造黃金的方法一樣。它是能源研究的聖盃。”
李是聚變力量的堅定信徒。1980 年，他作為研究生來到芝加哥大學學習量子場論，這是物理學中最棘手的領域之一。但美國改變了李的想法。“在美國，金錢就是一切，”他說，而量子場論只提供智力上的財富。他開始尋找更實用的東西來研究，最終選擇了聚變。“它在科學和工程方面都非常困難，”他指出。然而，如果它成功了，回報將是巨大的：能源將廣泛可用且廉價；化石燃料將變得無關緊要。世界將會被改變。
像李這樣的科學家已經被聚變誘惑了半個世紀。在他之前的許多人都承諾聚變即將到來。雖然其中一些研究人員是騙子，但絕大多數人最終都被證明是完全錯誤的。聚變很困難，大自然會打破承諾。
這是核心挑戰：由於氫離子相互排斥，科學家必須將它們猛烈撞擊在一起才能使其聚變。ITER 的策略是將磁籠內的氫氣加熱。它採用的特殊型別的磁籠稱為託卡馬克——一個金屬甜甜圈，周圍環繞著產生磁場的線圈環。這些磁箍擠壓帶電的氫離子等離子體，使其升溫至數億度——這是任何固體材料都無法承受的溫度。
在 1970 年代，託卡馬克看起來非常有希望，以至於一些研究人員預測他們可以在 1990 年代中期之前建造聚變發電廠。唯一的挑戰是將研究反應堆擴大到足夠的規模——一般來說，託卡馬克越大，等離子體可以變得越熱，聚變效率就越高。
然後問題出現了。等離子體導電，因此會受到自生電流的影響，使其彎曲和扭動。劇烈的湍流將等離子體從籠子中甩出，並將其射向機器的壁。隨著溫度升高，託卡馬克增大以給等離子體留出空間，並且需要更強的磁場來 удерживать 它。額外的空間和更強的磁場需要甜甜圈銅線圈中更高的電流。更高的電流需要更多的功率。簡而言之：機器越大、功率越大，它消耗的能量就越多，試圖將一切 удерживать 在一起。
這種反饋意味著傳統的託卡馬克永遠無法產生比消耗更多的能量。李和其他人只知道一種解決方案：超導體——一種特殊材料，在極低的溫度下，它可以以零電阻承載極高的電流。如果託卡馬克的磁體是超導的，它們就可以被注入電流並無限期地執行。這將解決能源問題，但不會便宜。超導體是奇異的、昂貴的材料。為了工作，它們需要不斷地用液氦冷卻到僅比絕對零度高 4 開爾文。
即使在 1985 年，也很明顯俄羅斯和美國都無法建造足夠大的託卡馬克來產生淨能量。當 ITER 正式啟動時，它是美國、蘇聯、日本和歐洲之間的聯合專案。該設計非常龐大，並使用了當時最新的技術。除了超導體外，ITER 還採用了先進的加速器，將中性原子束射入核心以加熱它，以及類似於等離子體微波爐的精密天線。ITER 不會使用普通的氫氣作為燃料，而是使用氘和氚，這兩種氫同位素在較低的溫度和壓力下會發生聚變。氘相對常見——一滴海水包含數萬億個氘原子——但氚稀有、放射性且昂貴。最初的建設成本估計為 50 億美元，但到 1990 年代中期，對機器複雜性的更徹底核算使價格翻了一番。1998 年，在很大程度上由於費用原因，美國退出了該專案。
此後不久，一個渴望維持專案生存的小團隊匆忙地將其重新設計為原來的一半大小和一半成本。ITER 的高階科學家兼最初重新設計團隊的成員 Gunther Janeschitz 承認，不幸的是，由於“完成設計的時間有限，有些事情被遺忘了”。成員國為機器的所有大型部件爭吵不休，但一些小東西——饋通、連線——從未被分配。“兩個元件之間存在空隙，但採購包都沒有真正描述它，”他說。
這些差距是 ITER 的禍害，因為該機器實際上並不是由 ITER 組織本身製造的。俄羅斯和日本等老牌國家希望他們對 ITER 的投資能流向他們國有實驗室的科學家，而印度和中國等新興國家則希望給他們蓬勃發展的工業一個學習先進新技術的機會。因此，成員國向該企業貢獻完全建成的單元（以及對中央組織的一小筆財政捐款）。用於其磁體的超導電纜將從日本的日立公司運來，但也將由中國的西部超導科技有限公司和俄羅斯的葉夫列莫夫電物理裝置科學研究所提供。機器巨大的真空容器將在歐洲、印度、韓國和俄羅斯建造；加熱系統將透過歐洲、日本、印度和美國提供，美國於 2003 年重新加入了該專案。ITER 中央組織必須接收這些部件，找出缺少什麼，然後將所有東西拼湊成有史以來最複雜的實驗。
在杜朗斯河對岸的一座中世紀城堡中，挑戰變得清晰起來，這座城堡俯瞰著 ITER 臨時總部外的一條雙車道高速公路。在這裡，ITER 的成員聚集在一個專門建造的會議室裡，房間裡擠滿了平板螢幕和麥克風。合作伙伴無意讓記者參與談判，但在咖啡休息期間，李告訴我，一場小危機正在緊閉的門後展開。“印度人認為管道應該在這裡結束，而其他人認為它應該在那裡結束，”他說，用糕點桌上的一小塊巧克力餡餅指向房間的相反方向。“顯而易見的解決方案是在中間會合，但這在技術上是不可能的。所以我們把它交給了 DG。”
在 2010 年之前，DG，即總幹事，是一位昏昏欲睡的日本外交官池田要。隨著這類問題的增多，池田在 ITER 理事會的壓力下辭職，並由資深的日本聚變研究員本島修 (Osamu Motojima) 接替，後者的安靜性格掩蓋了內部人士所說的強硬，有時甚至是專制的個性。本島修和他的副手，美國和歐洲專案的資深人士，坐下來在會議室旁邊的一個改建的馬廄裡與印度人達成協議。當團隊討價還價時，當時 ITER 的首席法律顧問哈里·圖因德 (Harry Tuinder)（他後來離開該組織前往歐盟委員會）坐在院子裡點燃了一支香菸。我問他，如果本島修有權強迫每個國家貢獻他需要的零件，難道不是更有意義嗎。“這基本上會降低你試圖加強的所有關係，”圖因德向後靠在椅子上說。歸根結底，是成員們自願參與，而不是 ITER 總幹事的權力，才能使專案取得成功。
通往能源之路
隨著談判的拖延，ITER 的成本再次翻了一番，估計達到 200 億美元，儘管其零敲碎打的建造方式意味著實際成本可能永遠不會為人所知。其完工日期又推遲了幾年。
飆升的價格和不斷延長的延誤一直在助長人們對這個巨型託卡馬克的反對，尤其是在歐洲，歐洲為其建設成本提供了約 45%。歐洲議會綠黨能源顧問米歇爾·拉凱 (Michel Raquet) 說：“如果我們真的想投入資金來拯救氣候並實現能源獨立，那麼顯然這個實驗是胡說八道。”歐盟目前正在制定一項預算，以適應 ITER 在 2020 年完成建設所需的估計 27 億歐元。綠黨是 ITER 在歐洲的主要反對者，他們擔心這筆錢將以犧牲風能和太陽能等可再生能源為代價。
在美國，美國將僅支付 9% 的成本，反對的聲音較為溫和。“它沒有威脅——它只是一種浪費金錢，”自然資源保護委員會的核運動人士托馬斯·科克倫 (Thomas Cochran) 說。科克倫斷言，他寧願將精力投入到對抗其他產生長期廢物或傳播核武器技術的核研究計劃中。美國國會似乎也同樣對該計劃漠不關心。“我只能說，目前還沒有人要扼殺它，”倡導聚變能源發展的聚變能源協會主席斯蒂芬·迪恩 (Stephen Dean) 說。但這可能會改變。巴拉克·奧巴馬總統今年提出的預算透過大幅削減國內聚變研究支出，為 ITER 成本的大幅上漲提供了資金。即便如此，ITER 將獲得的 1.5 億美元仍比美國計劃的捐款少 25%。
其他國家在履行對 ITER 的承諾方面也遇到了麻煩。印度一直在努力發放合同，而去年 3 月日本沿海發生的大地震損壞了那裡的關鍵設施。“每個國家都有自己的延誤原因，”俄羅斯代表團成員弗拉基米爾·弗拉森科夫 (Vladimir Vlasenkov) 說。他趕緊補充說，俄羅斯正在按計劃進行。
ITER 將證明聚變是否可以實現。它不會證明它是否具有商業可行性。我們有充分的理由認為它可能不可行。首先，聚變產生的輻射非常強烈，會損壞普通材料，例如鋼鐵。發電廠將不得不採用一些尚未開發的材料，這些材料可以承受等離子體多年的轟擊——否則反應堆將不得不 постоянно 停機進行維修。然後是氚燃料的問題，必須在現場製造，可能要使用反應堆自身的輻射。
基於 ITER 構建反應堆的最大障礙可以說是機器令人難以置信的複雜性。英國原子能管理局執行長史蒂夫·考利 (Steve Cowley) 說，所有專門的加熱系統和定製部件在實驗中都很好，但發電廠需要更簡單。“你無法想象在一臺充滿各種花哨裝置的機器上日復一日地發電，”他說。在聚變能夠併入電網之前，必須建造另一代昂貴的示範反應堆。鑑於 ITER 緩慢的發展，這些反應堆都不會在本世紀中葉之前投入執行。
儘管遇到了這些挫折，以及聚變能源作為一個整體的不確定未來，但很難找到任何熟悉 ITER 的人認為這臺機器不會建成。同儕壓力是一個原因：“法國參與其中，不會退出，因為美國參與其中，也不會退出，”科克倫說。圖因德觀察到，相關國家的政治知名度以及提前退出的鉅額罰款也起到了推動專案前進的作用。
除了這些合理（如果憤世嫉俗）的維持現狀的理由外，許多科學家真誠地認為聚變是滿足世界能源需求的唯一希望。“我對世界未來的能源感到害怕——我不知道它會從哪裡來，”美國能源部當時的首席科學家雷蒙德·奧爾巴赫 (Raymond Orbach) 在美國重新加入該專案時說。“它是零二氧化碳排放的，基本上是無限的，它沒有環境影響——提出一個替代方案吧。”大多數聚變科學家認為氣候危機無論如何都是不可避免的。考利告誡說，從長遠來看，在人類吸取教訓之後，“我們最好準備好一套技術”。這種思路認為，它將會奏效，因為它必須奏效。