[中配]揭秘全球最複雜的建築工程：核聚變反應堆

這是世界上最具挑戰性的建築項目 有史以來建造的最大最強核聚變反應堆 一直令人驚歎的科學家和建築工人團隊正在努力復現他要內部發生的反應 通向清潔和幾乎取之不盡的能源支援的大門 這項工程需要史上最大的國際合作之一 這個答案使科學家們困惑了幾十年 這被視爲產生清潔能源的偉大希望 但如果成功的話 它可能有助於拯救地球 今天是一個歷史性的時刻 成功的核聚變長期以來一直是全球科學家的夢想 不下於35個國家正在團結合作匯聚力量建造前所未有的東西 沒有這種非凡的合作 這個史詩級的國際熱核聚變實驗堆根本不可能實現 儘管它的起源可以追溯到20世紀中葉 但自從我2019年首次來訪以來 這裏發生了很多變化 當時我們只是觸及了這些牆壁內實際情況的表面 我們正在建造可以說是有史以來最複雜的機器 我簡直無法相信工程團隊的規模 建造這樣複雜的設備是一項像法老或海克力士那樣龐大的工程 這是一種令人謙卑的體驗 光是談到這件事我就起雞皮疙瘩了 與來自世界各地的人們共同建設某種事物 這是一項你們夢想到的最偉大的事業之一 我來這裏是想看看這個令人驚歎的團隊 是如何管理這個星球上最宏偉的建設工程的 我正在駕車穿越法國南部 臉上掛着燦爛的笑容 不僅因爲陽光明媚 更因爲我正前往世界上最酷的建築工地 位於法國南部的松樹林中 世界上最大的核實驗就在那裏 人類歷史上最大最昂貴的科學實驗 這個地方從外面看毫不起眼 就像一個工業園區 但在這些建築內部發生了一些真正令人驚歎的事情 來自十多個國家的專家齊心協力 進行一項非常重要的科學實驗 他們希望能夠共同破解 一個幾十年來未能解決的難題 通過核聚變創造幾乎無限的能源 但在我解釋這到底是什麼之前 重要的是先退一步 理解爲什麼它如此重要 如果人類能夠大規模實現核聚變 那麼這將解決我們最大的挑戰之一 真的能改變世界 你看核聚變產生的能量是 煤 石油和天然氣等化石燃料的400萬倍 與我們剛剛提到的其他能源形式不同 它也不會排放任何有害的溫室氣體 如二氧化碳 如果那個覈字讓你感到有些不安 那麼請放心 因爲核聚變反應堆 也不會產生任何長期存在的放射性廢物 而且因爲沒有氮或油 用它製造武器要困難得多 相反它使用的是BK和鉢 這兩者都是氫的同位素 而氫恰好是整個宇宙中最豐富的元素 那麼這一切是如何運作的 爲什麼這些反應堆的掌握如此耗時 遠遠超過我們使用了超過半個世紀的那些 從核聚變中產生能量 而不是大多數傳統反應堆所做的核裂變 要困難得多 核聚變反應堆不是將原子分裂 而是以一種受控的方式將它們結合在一起 從而釋放出大量能量 這基本上就是氫原子核在極高速度和溫度下碰撞 形成氦原子的過程 正如在太陽內部發生的一樣 現在令人驚訝的是這臺機器模擬的這一過程 但將其限制在一個結構內 而這顯然不是一件容易的事 你在這裏看到的ITER的一些建築工程 整個龐大場地上的各種活動 所有的系統建築都是圍繞着一箇中央的巨大裝置 霍卡馬克展開的 簡單來說這是一個巨大的槍體 利用巨型磁鐵和大量熱量 在真空中創造一種叫做等離子體的東西 再過幾分鐘 我將前往託卡馬克的核心 深入瞭解它 並站在未來幾年 可能解鎖一種清潔豐富 且經濟實惠的新能源的地方 這就是爲什麼它被視爲能源的聖碑 科學家們一直夢想控制聚變能源 將其利用於人類的需求 從而擺脫有限的石油供應和煤炭污染 聽起來複雜 但是因爲確實複雜 這也是爲什麼建築工程花費數十年 才得以啓動的原因之一 這是國際熱核聚變實驗隊的巨大組裝大廳 組建在這裏經過徹底檢查後 隨後被調運到託卡馬克內 我之前來過這裏 但每次走進來都是新鮮的 它一直在變化 這是一種讓人感到千倍的體驗 它龐大無比 不僅僅是身體上的 更是他們在這裏所做的事情的規模 這是科學家和建設團隊 在推進前所未有的邊界 這是一種令人千倍的體驗 光說這件事我就起雞皮疙瘩 這是這個行業的精英 匯聚力它非常龐大 要傳達這個項目的極端複雜性 真是困難 沒有其他東西能與之媲美 僅僅是託卡馬克 就有一百萬個組件 和一千萬個獨立部件 而且必須確認沒有翻錯的餘地 所有的單個組件 首先被運到這個巨大的房間裏 然後天花板上的那些巨大集中機 那些在我頭頂上的黃色大梁 就是用來提起這些組件 並將它們搬運到 環形磁約束裝置的組裝坑裏 真是非凡 確實如此 例如由於這是有史以來 建造的最大和最複雜的 同類系統之一 所有的真空組件 必須做到百分之一百不漏 因爲在真空狀態下 絕對不希望出現泄漏 特別是在它是鉅變反應堆的一部分時 已經制定了專業焊接程序 發射前將進行全面的泄漏測試 令人驚訝的是 ITER甚至正在研發 可以檢測泄漏的技術 測量精度達到百萬分之一根 髮絲的寬度 顯而易見 他們對此非常認真 事實上 ITER的起源可以追溯到1980年代 當時蘇聯的米哈伊爾·戈爾巴喬夫 和美國總統羅納德里根 共同發起了國際鉅變倡議 隨着冷戰接近尾聲 雙方領導人希望能夠推出一種 本質上取之不盡的能源 以造福全人類 1986年發射後 其他歐洲國家與日本加入了該夥伴關係 ITER正式成立 今天ITER有七個成員 其中之一是包括27個歐盟國家的歐洲 瑞士和英國也是合作伙伴 但參與程度較低 大約45%的建築資金來自這些歐洲國家 而日本 中國 印度 俄羅斯 韓國和美國各佔大約9% 直到2001年 反應堆的設計才最終確定 同時建設的費用估算爲50億歐元 幾年後 這個極具獨特性的項目選定了場地 並在2010年開始了建設 在土壤支撐結構和託卡馬克的抗震基礎上 花費了四年時間 而託卡馬克本身已經在籌備了十年 這裏所在的建築非常巨大 一座七層高的結構 地面上升60米 地下下降13米 這裏就是被稱爲ITER專屬區的 180公頃土地 這是一塊幾乎和摩納哥一樣大的巨型土地 這塊土地是法國給予ITER組織的 以便他們能夠建造那臺令人難以置信的機器 而且想想2010年 這裏幾乎什麼都沒有 真是太瘋狂了 但是現在看看它 託卡馬克建築和裝配大廳佔據了驚人的空間 但他們只是ESA的一部分 在這個巨大的網站上 總共有39座不同的建築和技術區域 它們包括冷卻塔 控制室 廢物管理設施 和一個製造液氦的低溫氣體工廠 液氦用於冷卻這1000噸超導磁鐵 這很重要 因爲如果它們不保持在接近絕對零度的溫度 也就是準確來說是-269攝氏度 那麼維持等離子體所需的磁場將無法實現 還會有一個巨大的區域 容納所有高壓電氣系統 以及像這樣兩個大型建築 用於將從交流電轉換爲直流電 然後再轉給那些巨大的磁體 我現在站在這裏的 基本上是世界上最大的電源適配器 那麼誰負責建造這一切呢 毫不意外的是 世界上一些最大的建築公司都參與其中 包括多項國際合作 其中一個是VFR財團 它負責交付這9座建築 包括託卡馬克綜合體 組裝大廳和控制大樓 我們負責建設 託卡馬克綜合體的土建工程 並安裝了超過10萬塊嵌入板 我們已經盡力尋找裂縫 監測它們並進行控制 我們面對河流的高密度 我們爲託卡馬克的建設 制定了具體的混凝土配方 我們在建築內部進行了 複雜的幾何形狀和開口處理 VFR由兩家法國公司 Vinci和Resobank 以及西班牙的Fairview組成 他們一起花了十多年時間 在託卡馬克綜合體 進行土木工程建設 你知道這是一個非常複雜的項目 我們許多人來自西班牙 而其他公司的員工主要是法國人 我們面臨的第一個挑戰之一 就是文化差異 因此我們一直以非常開放 和友好的方式與他們合作 這種合作的結果非常令人驚歎 爲了更好地瞭解 這個龐大項目背後涉及的瘋狂工程 我得以深入其基礎部分進行觀察 杜克 嗨 雷德 你好 你好嗎 很好 歡迎 謝謝 我們走吧 現在趴在一座重達三座 半埃菲爾鐵塔的核聚變反應堆底下 聽起來可真不是什麼有趣的事 幸運的是ETA組織的建設經理 Draco Johnson同意和我一起去 這是國際熱核聚變試驗堆的地下室 我們在託卡馬克底下 你在託卡馬克下面 所以這就是支撐它的平板 哇 你可以看到大約500個支撐 它的減震支柱 我們看到的這些橡膠墊 就是將整個託卡馬克和裝配大廳 與地面的其他部分隔離開來 所以如果發生地震 能量就會被它們吸收 是的 確實如此 它可以防止在任何時刻 對反應堆造成任何衝擊 這是爲了防止投資出現任何問題 當然在運營期間 也要確保一切正常 當你在這裏時 與上面的裝配大廳 形成了鮮明的對比 因爲那裏複雜而整潔 而這裏則簡單得多 這裏看起來 更像是一個標準的建築工地 但這一部分確實至關重要 對嗎 你必須擁有這一部分 才能使其他部分運作 而粗糙的土建工程 與精細的機械清理相結合 這實際上也是建造過程中 面臨的挑戰之一 對於一個科學項目來說 這是一項極其龐大的工作 但他們在這裏所嘗試的事情 絕不能不採取大規模的方式來實現 我想很多人都能理解 就防項目 你知道 裝修自己的家 這已經夠複雜了 但在覈聚變反應堆上 這肯定是10倍的複雜 對吧 在這裏 你們需要付出什麼樣的努力 而這些在普通建築項目中 並不需要呢 是的 幾乎所有的方面都是獨一無二的 與ITER密切相關的一個術語是 首創 這裏使用的很多元素 在兩個方面都很複雜 這被使用的技術所複雜化 這些技術通常是新穎的 用來創造某些獨特的曲線或材料 但這也與ITER的規模有關 與世界上已經存在的其他託卡馬克相比 ITER的規模非常龐大 爲了使這些元素 達到正確的尺寸和公差 這本身就是一個工程挑戰 回到地面上 建設託卡馬克綜合體過程中 一個關鍵元素是環形堡壘 這是一個巨大的鋼筋混凝土生物屏障 包裹着託卡馬克 它厚達三米高六層 目的是在覈聚變反應啓動時 保護工人和周圍環境免受輻射 作爲東道主成員 絕大多數建築和基礎設施 都來自這個大陸 但有一個關鍵元素 是由一個更遙遠的國家建造並提供的 國際熱核聚變實驗堆的絕緣冷卻器 是世界上最大的不鏽鋼真空式 它是在印度製造的 它重達近4000噸 環繞着真空容器和磁體 確保一切保持良爽和安全 它的巨大尺寸 意味着必須將其分成54個部分 分階段運送到馬賽 但這並不是他們旅程的終點 他們仍然需要被運輸到 距離海邊超過100公里的實際設施 幸運的是 爲此專門修建了一條改建過的道路 已稱爲伊特路線 它是一條從最近的港口 一直延伸到伊特總部的道路 它使得重達數百噸的託卡馬克 最大構建能夠通過巨型車輛 運送到那裏 而我現在正沿着這條路線的一部分行駛 現在這裏沿線的橋樑已經加固 交叉口經過改造 車道路面也被拓寬 包括在這裏路線非常靠近一些 相當高的懸崖 現在這聽起來可能很多 但如果他們不這樣做 許多腳踏的部件根本無法裝進來 其他來自歐洲以外的部件例子 包括環形場線圈 被認爲是整個建築中 技術挑戰最大的一部分 他們現在都已成功製造完成 他們是有史以來設計的 最大最強大的超導磁體 其中一半是在日本生產的 這些組件及其上部結構的總重量 達到6000噸 佔TOKAMAK整體重量的1⁴以上 這個項目的複雜性 實在令人瞠目結舌 但將其整合在一起的優秀建築 工人團隊的協作之複雜 幾乎與機器本身不相上下 估計有來自5000家公司 約15000名工人蔘與了這項建設 約90個國家的工作人員參與其中 這使得ITER成爲一個真正的全球項目 事實上 ITER聲稱 這是有史以來科學項目中 參與最廣泛的國際合作 這意味着這裏的團隊 不僅面臨着極其複雜的組裝任務 他們每天還要應對不同的施工方法 不同的工作文化 甚至不同的語言交流 例如儘管英語被列爲 ITER區域內的通用語言 但在建設初期 只有大約15%的成員 是以英語爲母語的 文化差異 做事方法的差異 工作的複雜性 現場的複雜性 同一個現場參與的人很多 後勤以及他們的工作方式各不相同 他們說不同的語言 他們以不同的方式看待問題 所以這極具有挑戰性 就非常有收穫 在完成這樣一個規模的項目中 技術的使用被證明是至關重要的 我們所說的 不僅僅是像機器人這樣的東西 像Procore這樣的數字平臺 有助於提升溝通與協作以及效率 這在一個確實要求高效的項目中 尤爲重要 Fairview正在使用Procore 完成一項名爲TBR式的關鍵合同 由核能融合組織Fusion for Energy頒發的 該項目由ITER的歐洲國內機構負責 設計爲託卡馬克綜合體設計 供應和安裝200多個核門 自從採納這項技術以來 Fairview在項目管理 決策和問題解決的領域 都取得了顯著的改善 測試 製造 施工 以及所有這些記錄和大型模型 都需要使用先進的技術 例如我們在這裏 絕對不能避免使用的Procore 這是我們成功完成項目的必要條件 沒有這些工具 我們就無法進行這些工作 像這樣的技術支持 對幫助ETC達到目前的位置至關重要 並穩步推動其在不久的將來 實現上線的目標 截至目前超過三分之四的設計 製造 施工 運輸 組裝和安裝活動 已經完成 那麼國際熱核聚變實驗堆 如何在地球上創造一個 基本上是小型恆星的東西 以產生能量呢 好吧 到了我裝備好 去到即將發生地點的時候了 一開始你錄製時 我就變得完全不懂穿衣服了 這裏是坑道的入口 好吧 這裏就是大家聚在一起討論的地方 確實如此 某種程度上 這有點像一座歌劇院 這裏 就是我們將進行核聚變的地方 那就是計劃 希望控制核聚變的科學家 必須應對其巨大的熱量 他們希望產生一項技術 所謂核聚變派對的基礎 所以你在現場看到的一切 所有的技術設施 建築 裝配 房間 都是爲了這個地方而準備的 是的 這就是關鍵所在 是的 確實如此 一切在這裏匯聚 所有的一切 或多或少 都支持這個事實 最終我們將在這裏進行實驗 那個實驗的計劃大致如下 託卡馬克的中心 是一個巨大的真空室 裏面有一個大型容器 周圍環繞着強大的超導磁體 氫燃料在內部釋放 形成等離子體 這是一種充滿電荷的超熱氣體 爲了達到這個點 氫原子被加熱到極高的溫度 最高可達150百萬攝氏度 那就是它們結合在一起 並釋放出所有能量的部分 這些巨大的地形磁鐵 也就是我們之前提到的 環形場線圈 可以在容器內部找到等離子體 總共有18個 它們還結合了6個環形磁鐵 即極向場線圈 一旦等離子體被創造 並保持在特定位置 這裏將成爲已知宇宙中 最熱和最冷的地方 一個非常重要的方面 是約束的概念 你必須保持熱量集中在這個地方 爲了做到這一點 我們需要非常強大的磁鐵 有趣的是 這些強磁體在冷卻到 非常低的溫度時 效果更好 溫度只比絕對零度高几度 與此同時 我們有非常高溫的等離子體 它們相距僅幾釐米 是的 震撼人心 這個詞用的很多 但在這裏真的很適用 因爲你在說 我就是無法相信 這個工程調整的規模 是的 這就是爲什麼 我們有一支國際化的大團隊 各個方面的聰明工程師們 都在專注於此 確保這一切都經過深思熟慮 一旦所有部件都組裝到位 就該開啓它了 現在最初的想法 是以低功率持續幾毫秒 來創造一種 稱爲首次等離子的東西 但最近這一切都發生了變化 稍後我們會詳細講解 在我們繼續之前 重要的是要認識到 另一組科學家 已經成功實現了核聚變 但規模有限 ITER所做的事情遠比這更大 推薦了許多 他希望成爲第一個 創造燃燒等離子體的項目 在這裏聚變反應變得自我維持 能夠持續產生能量 而不需要太多額外加熱 現在這裏絕大多數的 物理基礎設施已經建設完畢 你可以從主要建築到支撐結構 網絡甚至排水系統 四處都能看到 這一切都已建成 但儘管如此 在確保每一個組件在放置前 都正確無誤的瘋狂審查下 不幸的是 還是出現了一些挫折 2022年11月 ITER披露了一些組件 存在重大問題 這使得他們不得不進行 耗時的修理 冷卻管有裂紋 真空容器的某些部分 存在不合格現象 這意味着託卡馬克的組裝工作 目前已暫停 在解決這些問題之前 無法繼續 這並不是該組織第一次面臨 導致延誤的複雜情況 自從2001年 首次公佈設計以來 勞動力和材料成本不斷上漲 必須考慮到和鉅變科學的進步 組裝和調試 所花費的時間 也比最初估計的要多 這導致在2007年進行了設計評審 隨後在2016年 進行了另一項深入分析 到那時 價格標籤已經達到了220億歐元 首次等離子體的目標日期 被推遲到2025年 預計全面運行將在10年後實現 接着是新冠疫情 隨後是我們剛提到的技術問題 這一切都進一步推遲了進度 2024年6月提出了另一個項目計劃 包含新的日期和費用 目前正在審查中 現在的想法是完全取消 首次等離子體 直接讓機器以全功率啓動 以便進行更高級的實驗 但這要等到2036年才能實現 成本再次上漲 預計增加了50億歐元 那麼我們現在處於什麼階段 下一步是什麼 我知道有一些拆解工作在進行 並不是一切都順利 還有一些質量方面我們需要關注 主要與真空區段本身有關 也涉及到隔離非常熱與非常冷 之間的熱屏障 這兩個話題沒有關係 但必須解決 但幸運的是在組織內部 我們已經成立了行動團隊 來解決這些問題 現在我們準備好將第一個模塊 放回坑內 而這將在明年初發生 這個項目並沒有完全順利進行 但這裏的團隊正試圖開闢新的邊界 他們正在推動科學建築和工程的邊界 他們正在做一些前所未有的事情 所以第一次就想做到完美 確實有點難度 他們在這裏嘗試做的事情 可能是革命性的 但問題是 儘管這個地方的規模令人印象深刻 它實際上永遠不會爲電網生產電力 這正是因爲 這個地方是一個實驗 線索就在標題裏 這是一座實驗性反應堆 他們的想法是利用這個地方來證明 聚變可以在我們需要的規模上實現 然後其他人可以在ESA網站上 學習這裏取得的成就 但如果這聽起來有些異性闌珊 那就不應該這樣 因爲還有其他多個組織 正在設計和建造自己的核聚變反應堆 他們也在取得進展 對於馬克思普朗克研究所的物理學家們來說 這些閃爍的影像是尋找清潔 無盡能源的一個重要里程碑 德國命名獨特的 Winterstein 7X恆星聚變裝置 在2015年就已成功實現首次等離子體 自那時以來 它成功地維持了整整8分鐘的穩定反應 在覈聚變能源探索中的重要突破 這個實驗室是邁向清潔能源的第一步 2022年12月 加州國家點火設施的科學家們 在勞倫斯利烏姆國家實驗室 創造了他們自己的歷史 上週國家點火設施的科學家們 實現了核聚變點火 他們成爲第一個 通過聚變反應成功產生的能量 超過啓動時投入的能量的人 並且他們採用了與ITER的機器 完全不同的方法 與在託卡馬克中 產生等離子體不同的是 激光被設像一個裝滿了 與ITER中使用的相同青銅位數 VANDA和重氫的微小膠囊 隨後這個膠囊在激光的威力下 發生了內爆 迫使原子相互碰撞或融合 釋放出能量 從輸入的2.05兆焦耳激光能量中 輸出了3.15兆焦耳的聚變能量 但這並不意味着 他們已經解決了所有問題 也不意味着像ITER這樣的組織 應該放棄 因爲他們輸掉了比賽 那些激光發射的時間非常長 與今天巨大的電力需求相比 這種淨能量增益顯得微不足道 而這根本不是一場競爭 遠非如此 所有這些組織 以及近年來開始自己項目的 私營初創公司 都齊心協力 目標一致 就是將核聚變能源運入電網 ETA的不同之處在於 它團結了35個國家 匯聚了所有的資源和人才 以幫助這個項目邁出一大步 走向前所未有的境地 認爲這是人類的一次突破 充分利用了所有這些知識 複雜性 語言 以及這些人 太不可思議了 這真是一個難以置信的機會 這真是太令人驚歎了 每天都有新的難題需要解決 還有新的事情出現需要關注 挑戰和樂趣在於 確保在每個晚上回家時 我們都有一點進步 技術複雜性 協調性 以及所有多元文化的參與者 沒有任何其他項目像ITER一樣 我有幸環遊世界 看到許多建築項目 關於ITER有兩點讓我深有感觸 首先它與其他任何事物都截然不同 還有許多其他項目 適用於交通 住房和商業的 但這個項目則不同 這份雄心的規模 工程的複雜程度 以及對細節的關注真讓人震撼 很難想象我現在所站的地方 有一天會成爲一種新型能源的發源地 這個地方真的可能見證一個 可以改變世界的事物的誕生 讓我印象深刻的第二點是 這個項目與世界上許多其他建築工地 其實非常相似 許多建築項目都是由出色的人 了不起的人們齊心協力 協調 規劃 完成不可能的任務 是的 這更加極端 這將所有這些都置於雲端 展現出極大的雄心 這就是建築的魅力所在 它遵循着相同的配方 使用着相同的成分 出色的人們齊心協力 創造不可能 塑造我們的世界 不要忘記 我們正在通過讓建築對話倡議 提高對建築行業心理健康危機的意識 並支持這一領域的慈善機構 我們頻道上有一系列視頻 您可以在getconstructiontalking.org 找到支持或捐贈 還有 如果你喜歡這個視頻 並希望從這個 專注於建築的權威視頻頻道 獲得更多內容 想要深入瞭解核聚變反應堆 記得點擊訂閱按鈕