位于法国南部建设中的国际热核聚变实验堆（ITER）。照片上是两个巨型超导磁体。这样的超导磁体总共 18 个，将组成 ITER 的“心脏”——重达 2 万 3 千吨的托卡马克装置。等离子体将被约束在托卡马克内部，通过加热来启动热核聚变反应，获得能量的净输出。图片来源：©ITER Organization
(资料图片仅供参考)
这可能是一项全新的世界纪录，不过当事人可能提都不愿提。在法国南部，一个由 35 个国家共同参与的合作项目正试图实现有史以来规模最大、最为野心勃勃的科学实验：一个被称为国际热核聚变实验堆（ITER）的巨型核聚变发电项目。然而，以高出太阳内核十倍的温度“燃烧”等离子体，让这颗熊熊燃烧的“人造太阳”一次能产生持续数秒的净能量输出，并为核聚变能源在其他方面的应用提供壮观且数不胜数的先决条件，已经不是 ITER 肯定能打破的记录了。恰恰相反，ITER 正滑向创纪录的灾难边缘，它的工期不断推迟，预算超支，结果可能会成为历史上最拖延、成本膨胀也最厉害的大科学项目。
ITER 旨在帮助人类达成摆脱化石燃料，建立一个由核聚变能源供能的世界的梦想。这种获取能量的方式与恒星燃烧发光的过程相同，最初设想出现在上世纪 80 年代中期，大装置一旦建成，将是一个巨型环状高科技容器，名为托卡马克（tokamak）。它内部的氢会在极端高温下被电离，形成等离子体而非气体。在托卡马克装置中来回穿梭的强磁场与电场包围着等离子体云，在控制它的同时不断加热，让其中的原子相互碰撞、融合，释放出巨大能量。但要完成这一壮举，纸上谈兵显然更容易些。从上世纪 50 年代起，核聚变装置已经越变越大，功率也越来越强，但还没人能将这万能能源输入电网。ITER 是有史以来规模最大、最强劲的核聚变装置，其设计者们想通过它最终证明核聚变电厂能真正落地。
ITER 项目正式启动于 2006 年，参与其中的各国际合作方同意筹集约 50 亿欧元（当时约合 63 亿美元）的资金，以十年为期，计划 2016 年投入运行。现在，ITER 最新的官方预估成本已经超过了 200 亿欧元（220 亿美元），名义上两年后可启动。然而，通过法律途径获得的最新文件显示，这些数字早就失效了：ITER 不仅面临着数年的额外延误，内部人员还在逐渐形成一项共识——项目剩余的技术挑战将导致预算螺旋式上升，ITER 可能会面临失控，甚至影响到未来的成功运行。
该文件是为一年前 ITER 的管理机构 ITER 委员会的一场非公开会议所起草，其内容表明，在当时，项目就得延期三年，是六个月前内部预估时间的两倍。自这些文件成文已经过去了一年，本来已经很严峻的消息如今更加糟糕。然而，ITER 组织内无人能提供延期的具体时间，更不用说由此产生的额外费用了。美国能源部（U.S. Department of Energy）负责该国参与 ITER 的部分，他们也说不清楚。我们就此事曾联系过能源部的官员，但截至本文发表之日，能源部并未做出回复。
导致最近这一次延期的问题从几年前就出现了。ITER 组织承认确实出问题的速度却极其缓慢。直到 2022 年 7 月初，ITER 官网仍宣布整个装置将在 2025 年 12 月启动。之后，这个日期被标上星号，声称将会修正。如今，这个日期连同星号一起消失于官网之上。ITER 领导人也很少透露哪里出了什么岔子。
2017 年 2 月，时任 ITER 总干事的伯纳德·比戈特 （Bernard Bigot，2022 年在任上去世）与美国能源部代表讨论了项目进展。“ITER 一直在推进，”他说，“我们夜以继日，一切顺利。”他给出的进度表表明一切都在按计划发展。ITER 复合体的地基已基本完工，采用了由数百块减震橡胶板和金属层压板组成的防震系统。此后，反应堆本身的组装计划于 2018 年开始。就在比戈特讲出“一切顺利”的同时，反应堆的两个最主要部件：包裹甜甜圈状托卡马克装置的大型磁线圈和组成托卡马克装置墙壁的大部分真空容器预计分别在一个月内和年底之前装运发送。然而，磁线圈还需要三年的时间才能完工，真空容器也是如此。这两大部件最终分别于 2020 年 1 月和 4 月制造完。事实上，装置的大部分部件都延期了一两年甚至更久。很快，ITER 官方的组装启动时间从 2018 年推迟至 2020 年。
接下来，2020 年初新冠疫情大暴发，装置部件的制造和运输一缓再缓。
2021 年底，ITER 委员会悄悄要求修改项目进度和成本估算，最终在 2022 年 6 月的一场内部会议中公布了出来，也就是总干事比戈特因病逝世的一个月之后。过了几个月，我向ITER的新闻通讯负责人拉班·科布伦茨（Laban Coblentz）询问修改后的进度表，他像该项目的其他人一样拒绝透露，也不提供任何关于延期或成本超支可能造成的严重后果的提示。科布伦茨表示，比戈特的逝世让 ITER 陷入了“相当痛苦的领导层过渡期”，也让修订进度表变得毫无意义。他说：“这与提供给您的 2022 年 6 月 ITER 委员会流传的内部文件没有关系，那份文件已失去效力，内容也不再精确。”
为了回应这一阻挠行为，今年初我根据美国信息自由法案提起诉讼，要求公开 ITER 预期的进度和成本问题。截至今日，诉讼已部分成功。法庭提取到部分经过编辑的文件，揭示了 2021年 11 月 ITER 内部估算的结果——项目已经延期 17个 月。直到 2022 年 6 月的委员会会议，延期时间翻了一倍，大约需要 35 个月，足够为 ITER 早已臃肿不堪的成本再添加数十亿美元。但时间进度不能反映出其他可能导致更长延期的事件。
一改再改的 ITER 项目进度时间表，蓝线表示不断拖后的工程结束时间，绿色圆点表示不断膨胀的成本预算
除了 ITER 的一些部件远远落后进度，一些装置系统也出现了缺陷。ITER 的液氦制冷剂需要隔热层令其始终处在低温状态，托卡马克的墙壁也需要这些隔热层的保护。但后者因为焊接点与清洗金属的酸发生反应而腐蚀裂开。“总而言之，要移除约 20 公里长的极薄管道，并进行替换，大部分情况下需要修复隔热层，小部分情况下需要将它们更换成全新的。”科布伦茨说，“不过那不是 ITER 协议中的高成本部件。”
除此之外，一些真空容器部件就像拼图一样，需要严丝合缝地装配起来，精度达到亚毫米级，然而制造出来的成品精度并没有达到要求。“合理来说，你可以称之为制造缺陷。”科布伦茨补充道。2022 年 11 月，ITER 组织不仅决定中止真空容器的组装工作，还要移除早已装配好的部分以进行修复。即便如此，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）ITER 项目美国部分的项目主任凯瑟琳·麦卡锡（Kathryn McCarthy）仍然向国会作证：ITER “持续的项目进展向我们表明，他们能在巨轮般的核聚变组件上实现毫米尺度的工程精度。”
困境远不止于此，2022 年 1 月，法国核安全局（ASN）彻底叫停了 ITER 的组装工程。在众多问题中，ASN 并不相信计划安装在反应堆周围的防辐射屏障数量是否足够，在 ITER 能证明保证人员健康安全之前，ASN 不允许继续组装。然而，增加更多的防辐射屏障可能会增加重量，从而超出橡胶-金属防震地基所能承受的范围。“ASN 将根据 ITER 组织按要求提供的自证文件，重新考虑解除托卡马克组装的暂停令。”ASN 发言人伊万婕拉·佩蒂（Evangelia Petit）在邮件中如此回复我。ITER 被要求必须最先解决生物防护问题，以应对辐射威胁。然而，科布伦茨表示这样的僵局是“过度保护主义”导致的，并建议先允许 ITER 以低功率运行一段时间，以确定辐射危害程度，有了全面了解后，再切换至高功率运行。
2022 年末，ITER 总干事比戈特的继任者皮耶特罗·巴拉巴希（Pietro Barabaschi）承认真空容器和隔热层问题极大影响了 ITER 极力宣传的首次运行时间。“我们当然非常清楚进度和成本问题的后果，这两方面的影响不会小。”2022 年 11 月，他在一场新闻发布会上这样讲到。但是，延后时长及其导致的成本仍不明确，而且巴拉巴希的声明还没解释供应链问题，也没有谈到尚无任何改进的监管。
2023 年 3 月，ASN 发现一些焊工的资质是伪造的，他们的工作是在金属部件之间完成核电厂级别的焊接。随后，ITER 官方禁止提供焊接服务的供应商在施工场地随意走动，但 ASN 要求 ITER 梳理与承包商有关的所有情况，并提交一份解释资质造假的影响陈述。科布伦茨相信，2022 年讨论的组件推迟和供应链问题可能会造成约 3 年的延期，而真空容器缺陷部件和隔热罩可能会导致 2 年的延期，但这两个时间不会叠加起来，其中许多问题可以同时处理好。事实上，他表示 ITER 首次产生等离子体时（也就是实验堆开始运行之日）有些设备是不必要的，因此 ITER 组织可能会在那之后再开始安装余下的设备，不过这个时间点可能已经不再适用于当前的情况了。
等待的时间无论是四年、五年甚至更久，ITER 都不是唯一一个面临无数延期、成本增长以及目标转移的大科学项目。其支持者表示，当我们尝试实现对技术发展要求巨大的野心级任务时，上述障碍不可避免。他们以詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）作为最恰当的例子：原计划用十年时间以 10 亿美元出头的成本完成，但实际上花了整整 20 年，预算超过 100 亿美元，最终成功进入太空。这些超支对天文学家来说尤其痛苦，但如今看来却合情合理，一切都确保了 JWST 的成功发射部署以及如今对深空的革命性持续观测。
但是，ITER 和 JWST 相差甚远。ITER 酝酿的时间更长，可以追溯到上世纪 80 年代中罗纳德·里根（Ronald Reagan）总统和米哈尔·戈尔巴乔夫（Mikhail Gorbachev）的握手协议（1985 年在瑞士日内瓦举行的会晤期间，两位领导人握手并同意继续进行核裁军谈判，被认为是结束冷战的重要里程碑之一），它的成本也远超历史上的任何科学投入。在根据通货膨胀进行调整后，ITER 的成本与制造出第一颗原子弹的曼哈顿计划一样高，而且也肯定会更高。早在 2018 年，美国能源部科学部副部长就曾告诉国会，这个大科学项目会烧掉更多钱，远超过官方划定的 220 万美元，ITER 官方强烈反驳了这一说辞。但是，项目最近一系列受挫后尚未公开的影响清楚表明，最终费用至少还将增长几十亿美元。
不同于发射后几个月就完全投入运行的 JWST，ITER 建设竣工之后几年内都不会立刻实现预期目标。ITER 的真实目的是使用重氢同位素氘和氚的混合物进行高功率核聚变实验，这一实验需要等到装置实现首次产生等离子体这一里程碑才会正式开始。最开始，实验预计于 ITER 正式启动约 5 年后展开。但随着时间的推移，实验时间往后推了 10 年：即 2025 年启动后要到 2035 年才开始氘-氚运行。如果 ITER 启动的日期再往后推迟，那么氘-氚运行实验的日期也不得不顺应后移。
当遭遇高成本、争议导致的延期等问题时，ITER、JWST 以及其他大科学项目的缔造者往往会提醒公众和政策制定者，宏伟的“纪念碑”需要时间来建立。以巴黎圣母院或者其他哥特式大教堂为例，它们规模如此宏大，工程如此精密复杂，从动工之初，大家就知道需要好几代人的努力才能最终成就。巴黎圣母院建筑之始，没人认为自己能活着见到教堂竣工的那天。然而，ITER 的设计师们最初对该项目并没有长久的期望，反而认为可能几十年内就能见证它的完成。如今，项目正步入第三代计划和建设阶段，而它最重要的实验至少要留给下一代去完成。ITER 成为了我们现代社会的哥特式教堂：美丽但结构异常复杂，我们需要祈祷它能帮助我们解决能源和气候危机。
再次声明，也许大教堂是个错误的比喻，虽然巴黎圣母院用了一个世纪的时间建造完成，但之后很快它就变得开放和活跃，在施工开始后不到一代人的时间内就开始投入使用了。没人能保证 ITER 也会如此。每过去 10 年，这个破纪录的“国际大科学纪念碑”项目就越来越让人们怀疑，我们在建设的究竟是科学的丰碑，还是一座陵墓。
来源 | 科研圈（id：keyanquan）
撰文 | Charles Seife （美国纽约大学新闻系教授）
翻译 | 阿金
编辑 | 魏潇
原文链接：
https://www.scientificamerican.com/article/worlds-largest-fusion-project-is-in-big-trouble-new-documents-reveal/
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