21世紀中國人造太陽

　　地球上的化石燃料已經所剩無幾，人類如何找到理想的替代能源？50多年來的熱核聚變研究一直圍繞著一個主題，那就是造出一個人造太陽，一勞永逸地解決人類發展的能源之需

　　文｜楊曉宇

　　最近，由中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國參加的國際熱核反應堆合作計劃(ITER)再次引起了人們的興趣。這個被稱為 “人造太陽”的熱核反應堆，不僅因為1.3萬億日元的巨大投資引起了人們極大的關注，更因為若能在未來50年內開發成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類今后將擁有取之不盡、用之不竭的清潔能源。

　　直到19世紀末，隨放射性研究的開啟，人們才開始真正認識太陽的神秘面貌。萬物生長靠太陽，地球上所有生物的能源幾乎都來自于太陽。人們也逐漸發現，太陽能源來自其內部不斷的熱核聚變。隨熱核聚變的逐漸變弱，終有一天它也會消失在茫茫的宇宙中，變成一個黑洞或其他。

　　人類失去太陽，世界將會怎樣？

　　人類的能源危機

　　事實上，人類所依存的這個世界，能源枯竭已經成為一個嚴重問題。1973年以來，人類已經向地球索取了5000億桶(約合800億噸)石油，按現在的開采速度算，剩下的石油只可保證44年需求，天然氣也只能持續開采56年。200年之內，石油、煤、天然氣資源均面臨枯竭危險。20世紀后半葉，核能利用出現熱潮，各種類型的核電站在世界范圍內得到了異常迅速的發展。但目前所有核電站的原理，都是利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變以釋放巨大能量。且不說此類型的核裂變電站引發的核污染噩夢與其創造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲量也僅夠維持數百年之用。

　　中科院唐文江曾經指出，我們現今所使用的能源，有些直接來自太陽，有些是太陽能轉化的能源；像水能、風能、生物能，有些是早期由太陽能轉化來的一直儲存在地球上的能源；像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類社會發展到今天，僅靠太陽給予的可用能源已經不夠用了。人類能源消耗快速增加，水能的開發幾近到達極限，風能、太陽能無法形成規模。我們今天主要使用的化石燃料，再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對大氣造成了污染，增加了溫室氣體效應。要知道它們是太陽和地球用了上億年才形成的，但只夠人類使用三四百年，且它們是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人類重要的自然資源，作為燃料燒掉是非�？上У�。人們無不擔心，煤和石油燒完了，其他能源又接替不上該怎么辦？能源危機開始困擾著人類，人們一直在尋找各種可能的未來能源，以維持人類社會的持續發展。

　　當人們抬頭望向太陽的時候，熱核聚變給人們帶來了希望之光。人們將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實現和推廣，試圖建設利用氫的同位素氘和氚的原子核實現核聚變的熱核反應堆。

　　最初，劍橋卡文迪許實驗室的英國化學家和物理學家阿斯頓，在用自己創制的攝譜儀從事同位素研究時發現，氦-4質量比組成氦的4個氫原子質量之和大約小1%左右。幾乎同一時期，盧瑟福也提出，能量足夠大的輕核碰撞后，可能發生聚變反應。1929年，英國的阿特金森和奧地利的奧特斯曼聯合撰文，證明氫原子聚變為氦的可能性，并認為太陽那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應。

　　隨后的研究證實，太陽發出的能量來自組成太陽的無數的氫原子核。在太陽中心的超高溫和超高壓下，這些氫原子核相互作用，發生核聚變，結合成較重的氦原子核，同時釋放出巨大的光和熱。于是，科學家設想，如果實現人工控制下氫元素的核聚變反應即受控熱核反應，那么在地球上同樣可以創造出一個個具有不竭能量的人造太陽。

　　人造太陽的實驗

　　科學家的設想在武器方面首先得到試驗。在二戰后，美國和蘇聯都研制成功一種遠比最初的原子彈厲害的摧毀性武器：氫彈。第一枚取名為“麥克”的氫彈于1952年11月l日在南太平洋的一個小島上爆炸�！胞溈恕笔怯梢幻镀胀ǖ拟櫾�子彈或者鈽彈同一定數量的液態氘和氚組成。為了保持氚的液態，氚被保存在零下200多攝氏度和180個大氣壓之下。氫彈里那個普通原子彈起的作用就像炸藥里的雷管，它保證使溫度達到幾百萬攝氏度；在這個溫度下，重氫核組合在一起形成氦核。在一剎那間，“麥克”變成為一顆小型的、真實的人造太陽，它的威力，是廣島的那顆原子彈威力的500倍。在后來的年代里，人們發展威力更大的氫彈，且采用新的制造方法。氫彈的威力當然可怕，但它也給人類將來的能源需求帶來無限希望。

　　50年來，全世界共建造了上百個托卡馬克裝置，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足功夫。托卡馬克是“磁線圈圓環室”的俄文縮寫，又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體。在上世紀70年代，人們對約束磁場研究有了重大進展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側向漂移問題。此后世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯建造了四個大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學建成的托卡馬克聚變實驗反應堆(TFTR)；歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯合環(JET)；日本1985年建成JT-60；蘇聯1982年建成的超導磁體的T-15；它們后來在磁約束聚變研究中作出了決定性的貢獻。特別是歐洲的JET已經實現了氘、氚的聚變反應。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了3億攝氏度，聚變能量約束時間達2秒。反應持續1分鐘，產生了1018個聚變反應中子，聚變反應輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新紀錄。這一輸出功率已達到當時輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達1.25。

　　中國的核聚變研究也有較快發展，西南物理研究院1984年建成中國環流器一號(HL-1)，1995年建成中國環流器新一號。中國科學院等離子體物理研究所1995年建成超導裝置HT-7。HT-7是前蘇聯無償贈送給中國的一套縱向超導的托卡馬克實驗裝置，經等離子體物理研究所的不斷改進，它已成為一個龐大的實驗系統。特別是在2003年3月31日，實驗取得了重大突破，獲得超過1分鐘的等離子體放電，這是繼法國之后第二個能產生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7的基礎上，等離子體物理研究所研制和設計了全超導托卡馬克裝置HT-7U(后來名字更改為EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak)。

　　EAST又稱“實驗型先進超導托卡馬克”，是一臺全超導托卡馬克裝置，受國際同行的矚目。后者普遍認為，EAST可能成為世界上第一個可實現穩態運行、具有全超導磁體和主動冷卻第一壁結構的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導和非圓截面特性，更有利于科學家探索等離子體穩態先進運行模式，其工程建設和物理研究將為“國際熱核聚變實驗堆”(ITER)的建設提供直接經驗和基礎。

　　希望之光

　　2001年8月，日本和英國的科學家宣稱，開發出一種新方法，以至只需過去一半的能源就能引發核聚變反應。研究人員采取的是分別進行燃料壓縮和加熱的“高速點火”方式，用新開發的瞬間功率達10億兆瓦的激光裝置，成功把燃料等離子體加熱到1000萬攝氏度。

　　2005年6月，在成都市雙流縣白家鎮，中國最早研究“人造太陽”的科研機構——核工業西南物理研究院聚變科學所。所長劉永宣布，中國的“人造太陽”已經基本成型了。

　　在聚變科學所的實驗大樓里一個如運動場般寬闊的房間，一個占據房間三分之二空間的龐然大物居中擺放著，物件整體呈橢圓形，圓形邊緣四周延伸出幾個三角形的“角”，從上往下俯看，整體如一枚巨大的五角星形狀。在本世紀內，這顆中國太陽將投入運行。

　　科幻小說一般的場景，讓人們興奮不已�！暗�離真正的商業運行還有相當長的時間，預計可能還要50年。”核工業西南物理研究院科技委主任嚴建成說。比如ITER，盡管它已啟動，但還只是一個實驗堆，后面還要經歷“示范堆階段”、“商業堆階段”才能說離應用不遠了，但每個階段的研究，都將經過十多年。

　　確實，盡管ITER計劃采用最先進的設計，但綜合以往的經驗和成果，它的確還面臨重重挑戰。即使它能如期在2013年建成，這個10層樓高的龐大機器能否達到預期目標也還是個未知數。諸如探索新的加熱方式與機制為實現聚變點火、改善等離子體的約束性能、反常輸運與漲落現象研究等前沿課題，偏濾器的排灰、大破裂的防御、密度極限、長脈沖H-模的維持、中心區雜質積累等工程技術難關還有待于各國科技工作者群力攻關。即使對ITER的科學研究真的成功了，聚變發電站至少還要30年乣50年以后才能實現。

　　但希望之光必將成為燎原之火。在人造太陽真正進入生活前，人類還將為之努力不止。