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|制造人类终极能源，为什么中国最有希望？

各位好 ， 我是冬晓 。 7月28日 ， 世界最大的核聚变装置 ， 国际热核聚变实验堆（ITER） ， 在法国开始组装 ， 35个国家领导人远程视频、参加庆典 。 该反应堆是一个能产生大规模核聚变反应的托卡马克 ， 也被叫做“人造太阳” ， 由中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度联合建造 。 工程建设中 ， 中国提供了核心设备 。 今天的视频我们就讲一下人造太阳的那些事 。
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核聚变 ， 两个原子核碰撞结合 ， 释放能量 。 氢弹将这一理论变为现实 ， 瞬间爆炸 ， 产生巨大的能量 。 但这样的方式不可控 ， 做武器还行 ， 用来发电就纯属异想天开 。 太阳内部核聚变为什么能持续? 因为它质量大 ， 产生的强大引力指向内部 ， 抵消了聚变产生的向外压力 ， 构成平衡 。 有了这种平衡 ， 物质不会炸散开来 ， 聚变能持续进行 。
氢的同位素 ， 氘、氚 ， 是常用的聚变原料 ， 它们的混合气体 ， 必须在超过1亿度高温环境下 ， 才能产生大规模反应 。 这样高的温度 ， 原子中的电子和原子核分开 ， 独立运动 ， 形成等离子体 。 可控核聚变 ， 需要将这团气体约束在高温环境中 ， 太阳靠引力约束 ， 那么人类呢？用容器装吗？问题是 ， 这样的容器该用什么材料制造？1亿度的高温 ， 任何材料也无法承受 。
早期的科学家尝试了很多方案 ， 仿星器 ， 箍缩机、磁镜等 。 很遗憾 ， 这些装置工作不稳定 ， 实验效果不理想 。 为了约束高温等离子体 ， 政府需要投入更多的钱 ， 建造更精密的设备 。 50年代 ， 美国投入巨额资金 ， 启动“舍伍德工程” ， 希望成为聚变研究的领头羊 ， 但这被英国抢了先 ， 他们的ZETA聚变装置取得重大突破 。 ZETA的投资比“舍伍德工程”少得多 ， 这下美国人脸上挂不住了 ， 不让英国发布实验成功的消息 。 两国媒体相互拱火 ， 英国《观察家报》说：这是羡慕嫉妒恨 。 《纽约时报》说：不对 ， 我们不可能比你差 。 后来 ， 美国迫于外界压力 ， 允许英国人发表相关数据 ， 结果 ， 专家验证后发现 ， 这次实验并没有成功 。 这期间 ， 各国实验都没什么进展 ， 政府不愿意再多投钱 ， 研究经费减少 。 1958年 ， 科学家们在日内瓦开了个会 ， 大家合计合计 ， 看看有什么更好的核聚变方案 。 苏联科学家萨哈罗夫提出的“托卡马克”概念 ， 走进大众视野 。
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“托卡马克” ， 俄语意思“环状磁容器” ， 这个装置类似汽车轮胎 ， 中空的 ， 尺寸比轮胎大得多 。 在强磁场作用下 ， 高温等离子体悬浮起来 ， 被约束在环状腔体内 ， 不接触设备内壁 。
苏联人刚拿出该装置时 ， 西方国家觉得这是骗人的玩意儿 ， 就凭他们那点技术 ， 能实现可控核聚变? 1969年 ， 英国科学家跑到莫斯科查看 ， 结果发现 ， 这个方案是真的有效的 。 欧美各国知道消息后 ， 一哄而上 ， 纷纷建造起托卡马克 。 1982年 ， 美国搞出了TFTR ， 1983年 ， 欧洲弄出了JET ， 1985年 ， 日本研制出JT-60 。 三套设备中 ， 聚变产生的能量已经接近外界输入的能量 ， 好比做生意 ， 收入等于支出 ， 不赚不亏 。 要是聚变能量再大点 ， 就能支持发电了 。 怎么做才能实现呢？建造更大的托卡马克 。 更大意味着更多的投资 ， 单个国家无法承担 ， 于是就有了“国际热核聚变实验堆（ITER）”计划 。
1985年 ， 项目启动 ， 当时仅有四个国家参与 ， 分别是：美国、苏联、欧共体、日本 。 新组织独立于联合国原子能委员会 。 所谓的“国际”项目 ， 实际上是排他的 ， 只有强国才能玩得起 。 其他国家要想加入也行 ， 只能以这某个成员国的“小伙伴”身份加入 。 加拿大是以欧共体小伙伴身份参加的 。 当时 ， 中国经济、技术落后 ， 没人肯带我们 。
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项目讨论了近十年 ， 到1996年预算才出来了 ， 至少一百亿美元 。 美国一看 ， 立马退出 。 在这上面烧这么多钱 ， 肯定影响国内聚变研究 。 而且国会要照顾石油利益集团 ， 不会轻易拨款支持新能源 。 俄罗斯也有难处 ， 经济出现问题 ， 靠卖石油续命 ， 对合作计划不上心 。 日本股市、房市泡沫破裂 ， 出这么多钱 ， 心疼 。 只剩下欧盟自己吆喝了 ， 项目一直没有实质进展 。
花开两朵 ， 各表一枝 。 自上世纪70年代起 ， 中国就开始研究托卡马克装置了 。 只是当时受技术和资金制约 ， 建造规模很小 ， 没有实力参加“国际热核聚变实验堆”项目 。 后来 ， 苏联解体 ， 莫斯科库尔恰托夫研究所写信给中国 ， 愿意赠送超导托克马克装置T-7 。 库尔恰托夫研究所前身 ， 苏联科学院原子能研究所 ， 世界上第一座原子能核电站 ， 在这里设计的 。 1979年 ， 该所建造了T-7 ， 刚建好不久 ， 苏联又搞出了一个更大的T-15 ， 所以T-7一直闲置着吃灰了 。 俄国人为什么送给我们？往大了说 ， 可控核聚变涉及全人类利益 ， 各国都会有合作 ， 赠送旧设备很正常 。 往事实际上说 ， 苏联刚解体 ， 俄罗斯没有多余的钱修理维护 。 当然我们也没白拿 ， 以物易物 ， 据说回赠了他们两车皮羽绒服 。
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【|制造人类终极能源，为什么中国最有希望？】随后T-7被拆解运往中国 。 整套设备非常旧 ， 跟垃圾堆里捡的一样 。 经过重新设计、改造 ， 1994年 ， 建成HT-7超导托卡马克 ， 也被叫作“合肥超环” 。 中国掌握了超导托卡马克技术 ， 成为第四个拥有此类装置的国家 ， 前面三个分别是俄罗斯、日本、法国 。 在新设备上 ， 中国科学家做了很多实验 ， 让等离子体中心电子温度达到1200万度 ， 并维持到400秒 ， 打破法国人的记录 。 HT-7平台 ， 培养了一批工程师 ， 为后来建造“东方超环（EAST）”奠定基础 。
“合肥超环”上很多零件从俄罗斯进口 ， 坏了 ， 还得请俄罗斯专家修理 ， 核心技术并没有百分百国产化 。 后来 ， 我们在这方面下了苦功夫 ， 做了很多关键技术 。 等到了“东方超环”的时候 ， 绝大部分部件都实现了国产 。 中国的聚变研究在世界舞台崭露头角 ， “国际热核聚变实验堆”项目也了中国身影 。 2002年 ， 欧盟、日本、俄罗斯经过协商 ， 欢迎中国参加 。 之后 ， 美国宣布重新加入 ， 韩国、印度也被拉进来 。
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实验堆建造任务怎么划分的呢？欧盟承担46% ， 剩下的6家 ， 各自承担9% 。 计划的挺好 ， 结果实行起来 ， 又出问题了 。 法日两国围绕选址的问题争执不下。
法国人提议 ， 地址选在马赛附近的卡达拉舍 ， 那里气候条件好 ， 有现成的研究设施 。 日本人认为 ， 青森县六所村最合适 ， 靠近港口 ， 离美军基地近 ， 他们还表示愿意承担项目30%的费用 。 美国政府表面上态度中立 ， 都是盟友 ， 不能拉偏架 。 俄罗斯希望和欧洲搞好关系 ， 支持法国 。 此时 ， 中国的态度就很关键了 。 日本代表团私下承诺 ， 如果中国科学家支持日本 ， 项目建成后 ， 日本出让10%的高层职位 。 中国专家拒绝了 ， 理由是：青森县地震频发 ， 美军基地发生过误射导弹的事情 。 后来 ， 日本政府做出了让步 ， 同意场址选在法国 ， 但提出了几个条件：欧盟承担一半建设费用 ， 卡达拉舍总部的20%工作岗位提供给日方 ， 工程建造合同尽量给日本公司 。
“国际热核聚变实验堆”项目 ， 原计划持续35年 ， 前10年建设反应堆 ， 中间20年操作实验 ， 最后5年拆除反应堆 。 从2006年七个成员共同签署协议算起 ， 已经过去了14年 ， 工程还没完工 ， 为什么？项目太庞大 ， 困难超出了最初预期 ， 导致工期一拖再拖 。 参与的国家多 ， 各有利益诉求 ， 相互扯皮 。 虽然中国按照进度 ， 保质保量完成任务 ， 可其他几家不给力 。
最后法国急了 ， 再拖延下去 ， 黄花菜都凉了 。 于是2019年 ， 由中核集团牵头 ， 成立中法联合体 ， 和原来的项目组织方签订协议 ， 实验堆核心部件的生产与安装交给中国 。 之后 ， 工程建设速度立马加快 。 今年5月 ， 中方完成杜瓦底座安装 。 这个1200吨的大家伙就相当于楼房的地基 ， 托卡马克装置所有重要设备都要放在上面 。
中国可控核聚变技术的进步 ， 也引发了某些国家的担心 。 ITER项目中 ， 其他6个参与方 ， 甚至一度讨论把中国踢出去 。 可惜 ， 如今没有中国的支持 ， ITER工程无法继续 。 以前 ， 欧美禁运聚变实验设备 ， 现在 ， “中国制造”却成了主力 。 2007年 ， 中科院的“东方超环”建成后 ， 各国科学家纷纷要求参与试验 。 这几年 ， 每次试验 ， 都有100多个外国专家前来观摩 。
中国作为负责任大国 ， 没有推卸国际责任 ， 努力让ITER项目赶上日程 ， 计划2025年完工 。 这也要其他成员共同协作 ， 如果再扯皮 ， 估计又要往后拖 。 不过 ， 我们不会把鸡蛋放在同一个篮子里 。 2017年 ， 中国决定建造自己的聚变工程试验堆（CFETR) ， 体积与“国际热核反应堆”相当 ， 借鉴了前者的很多技术 ， 计划2035年建成 ， 并进行大规模科学实验 。 一切顺利的话 ， 到2050年 ， 中国将建设聚变商业示范堆 ， 制造人类终极能源 。
目前 ， 全球技术最先进的托卡马克包括: 法国的Tore-Supra、俄罗斯的T-15、日本的JT-60U、中国的EAST ， 但这仅是实验装置 ， 主要用作研究 ， 而“中国聚变工程实验堆（CFETR)”是将研究推向实用化 。 可以理解为 ， 前者是模型火车 ， 后者是高铁 。 未来 ， 如果有一盏灯能被聚变点亮 ， 这盏灯一定是在中国 。


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