未来燃料(一)世上最大核融合计画面临关键时刻

编译来源:BBC NEWS 2013年8月7日讯《’Critical phase’ for Iter fusion dream》

未来燃料(一)世上最大核融合计画面临关键时刻

核融合反应炉的运行原理是师法于太阳。(图片来源:BBC NEWS)

法国南部普罗旺斯省卡达拉舍的国际热核实验反应炉(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)计画中,反应炉约一百万个组件中的第一个正在进行交货。

经过长期延宕及巨额经费增加之纷扰后,目前的工程约晚了两年。为了配合迟到的关键组件,还得变更主建筑的结构设计。

研究机构的副主任大卫坎贝尔(David Campbell)告诉英国广播公司新闻说:「不容讳言,情况实在令人沮丧,但我们现在正尽全力弥补所浪费的时间。这个计画真令人振奋,让你充满干劲的去做,我们都等不及看到核融合反应成功的那一天。渡过初期的设计问题及早期的协调困难,我们现在更有信心在期限内完成计画了!」

从50年代起,核融合提供了一个无限能源的梦想-师法于供应太阳大火球能量的程序,就是以两个氢作为燃料。最具吸引力的是结合了便宜的燃料氢、低辐射废料及不释出温室气体等优点。但是,如何操作核融合的极端条件,还有如何从反应中把庞大的能量提取出来,都仍然是技术上的具大挑战。事实上,就因为核融合的技术太困难,让这个概念已经「纸上谈兵」了30多年。

现在ITER反应炉终于要把这个构想实践了!这个万众瞩目的设备叫做託卡马克(tokamak),它的基本结构是取材于英国牛津什尔的JET计画 (Joint European Torus, JET)里的设计。他们的计画是加热电浆到摄氏二亿度-这个温度足以迫使氘和氚原子融合,并且释放出能量。这整个过程都会在巨大环型磁场里运作,这是唯一可以容纳极端高温的方法。在JET计画里他们是用多次瞬间爆发完成核融合反应,这种设计所产生的能量会低于送入者。不过ITER计画是个前所未见的庞大装置,它可以产生5亿瓦特-是投入能量的10倍!

ITER计画在科学上及政治上都极具份量,其成员国涵盖了全球人口一半以上-其中欧盟负责此计画超过一半的经费支出,其他还有中国、印度、日本、俄罗斯、南韩和美国。各国贡献是以「实物」计,而非仅以现金计,例如欧盟提供的建筑物及内部设备,其价格无以计算,粗估其全部预算可达150亿欧元!

虽然有这幺多国家通力合作,但ITER的新建案早期仍是遇到许多纠纷,导致延宕多时。虽然每个合作国家都在国内设立专门办事处来处理ITER的各项事务,但关税的问题还是让国家间纷扰不休。合作国家的生产基地也因为这些纠纷而耽误进度。除关税问题外,所有製造的设备组件都必须经过极度高规格的检验。从ITER和法国核能安全管制机构来的审查员必须直接与各个製造公司交涉洽谈。这常常导致重要原件虽已订好交货时间,却迟迟无法送到ITER。託卡马克所在的主大楼还为了迟交问题特别在建筑物上留了一道开口,让原件抵达时可以直接就位,不需经过太多波折。

虽然一切都已经比原定计画晚了,但还要考虑到原件从港口运送至基地这段路程的负重力,必须确保其承载能力要达600吨以上才行。而这些护送队的测试,也因为计画延宕,也从今年一月顺延到九月了。其实在原定时程里,第一批电浆早在2005年左右就应该送抵了。在经过重重难关后,他们重新订出完成期限-2020年11月。管理人说他们会加倍运输工具的数量来加快步调,不过即使如此要在2021年完成都还是一项挑战。

协调组装反应炉的负责人,肯布莱克勒(Ken Blackler)说:「我们这回是来真的!我们已经克服了很多技术问题,2020的时限变得更加明确而不再只是空口说白话。虽然计画非常複杂,但很多组件都已经在全球各地製造完成,只等着被运送到这。目前要处理的关键问题就是-如何协调它们按照顺序一件一件送达而且正确地被安装到设备上。」

指挥和管理

首要问题是主要原件送达的顺序,那幺其次的问题就落在元件本身是否符合高品质以利系统顺利运作。包含电浆的巨大环型磁场是由28个磁铁构成,它们还会在严格控管下备精密加工。每一个部分都会仔细的焊接联合在一起,以确保整个结构体为真空状态-不会造成电浆外洩。任何微小疏漏都可能危害整个ITER计画。
既然一开始就宣称ITER可以生产出比投入还要具大的能量,那幺下一步就是公开向全球合作伙伴们展示它的威力,顺利产生能源吗?但讽刺的是,就因为要实行的计画有多幺的伟大,那遇到的挑战也会是多幺的巨大!

2012年9月在比利时举行的会议,编辑大卫舒克曼(David Shukman)询问与会的专家小组:「究竟核融合反应炉会在多久以后,它的运作才可以符合经济价值?」有少部分的专家表示在40年内可以实行,但绝大多数的专家都认为要再50甚至60年才有可能做到。专家的意见显示,或许核融合大梦在现今正处于前所未见的奋起状态,但是要把梦化为现实,我们至少还有30年要等。

未来燃料(一)世上最大核融合计画面临关键时刻

ITER里托卡马克的地基(图片来源:BBC NEWS)