21世纪中国人造太阳

　　地球上的化石燃料已经所剩无几，人类如何找到理想的替代能源？50多年来的热核聚变研究一直围绕着一个主题，那就是造出一个人造太阳，一劳永逸地解决人类发展的能源之需

　　文｜杨晓宇

　　最近，由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国参加的国际热核反应堆合作计划(ITER)再次引起了人们的兴趣。这个被称为 “人造太阳”的热核反应堆，不仅因为1.3万亿日元的巨大投资引起了人们极大的关注，更因为若能在未来50年内开发成功，将在很大程度上改变目前世界能源格局，使人类今后将拥有取之不尽、用之不竭的清洁能源。

　　直到19世纪末，随放射性研究的开启，人们才开始真正认识太阳的神秘面貌。万物生长靠太阳，地球上所有生物的能源几乎都来自于太阳。人们也逐渐发现，太阳能源来自其内部不断的热核聚变。随热核聚变的逐渐变弱，终有一天它也会消失在茫茫的宇宙中，变成一个黑洞或其他。

　　人类失去太阳，世界将会怎样？

　　人类的能源危机

　　事实上，人类所依存的这个世界，能源枯竭已经成为一个严重问题。1973年以来，人类已经向地球索取了5000亿桶(约合800亿吨)石油，按现在的开采速度算，剩下的石油只可保证44年需求，天然气也只能持续开采56年。200年之内，石油、煤、天然气资源均面临枯竭危险。20世纪后半叶，核能利用出现热潮，各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。但目前所有核电站的原理，都是利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变以释放巨大能量。且不说此类型的核裂变电站引发的核污染噩梦与其创造的能量同样触目惊心，单就其主要原料铀而言，地球的储量也仅够维持数百年之用。

　　中科院唐文江曾经指出，我们现今所使用的能源，有些直接来自太阳，有些是太阳能转化的能源；像水能、风能、生物能，有些是早期由太阳能转化来的一直储存在地球上的能源；像煤炭、石油这样的化石燃料。人类社会发展到今天，仅靠太阳给予的可用能源已经不够用了。人类能源消耗快速增加，水能的开发几近到达极限，风能、太阳能无法形成规模。我们今天主要使用的化石燃料，再有100多年即将用尽。人们还抱怨化石燃料对大气造成了污染，增加了温室气体效应。要知道它们是太阳和地球用了上亿年才形成的，但只够人类使用三四百年，且它们是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人类重要的自然资源，作为燃料烧掉是非常可惜的。人们无不担心，煤和石油烧完了，其他能源又接替不上该怎么办？能源危机开始困扰着人类，人们一直在寻找各种可能的未来能源，以维持人类社会的持续发展。

　　当人们抬头望向太阳的时候，热核聚变给人们带来了希望之光。人们将最终解决能源需求的希望寄托于受控核聚变的实现和推广，试图建设利用氢的同位素氘和氚的原子核实现核聚变的热核反应堆。

　　最初，剑桥卡文迪许实验室的英国化学家和物理学家阿斯顿，在用自己创制的摄谱仪从事同位素研究时发现，氦-4质量比组成氦的4个氢原子质量之和大约小1%左右。几乎同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。1929年，英国的阿特金森和奥地利的奥特斯曼联合撰文，证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳那千秋喷薄的光与热皆源自这种轻核聚变反应。

　　随后的研究证实，太阳发出的能量来自组成太阳的无数的氢原子核。在太阳中心的超高温和超高压下，这些氢原子核相互作用，发生核聚变，结合成较重的氦原子核，同时释放出巨大的光和热。于是，科学家设想，如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应即受控热核反应，那么在地球上同样可以创造出一个个具有不竭能量的人造太阳。

　　人造太阳的实验

　　科学家的设想在武器方面首先得到试验。在二战后，美国和苏联都研制成功一种远比最初的原子弹厉害的摧毁性武器：氢弹。第一枚取名为“麦克”的氢弹于1952年11月l日在南太平洋的一个小岛上爆炸。“麦克”是由一枚普通的铀原子弹或者钸弹同一定数量的液态氘和氚组成。为了保持氚的液态，氚被保存在零下200多摄氏度和180个大气压之下。氢弹里那个普通原子弹起的作用就像炸药里的雷管，它保证使温度达到几百万摄氏度；在这个温度下，重氢核组合在一起形成氦核。在一刹那间，“麦克”变成为一颗小型的、真实的人造太阳，它的威力，是广岛的那颗原子弹威力的500倍。在后来的年代里，人们发展威力更大的氢弹，且采用新的制造方法。氢弹的威力当然可怕，但它也给人类将来的能源需求带来无限希望。

　　50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善磁场约束和等离子体加热上下足功夫。托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离子的等离子体。在上世纪70年代，人们对约束磁场研究有了重大进展，通过改变约束磁场的分布和位形，解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。此后世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克，即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆(TFTR)；欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环(JET)；日本1985年建成JT-60；苏联1982年建成的超导磁体的T-15；它们后来在磁约束聚变研究中作出了决定性的贡献。特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了3亿摄氏度，聚变能量约束时间达2秒。反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新纪录。这一输出功率已达到当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。

　　中国的核聚变研究也有较快发展，西南物理研究院1984年建成中国环流器一号(HL-1)，1995年建成中国环流器新一号。中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT-7。HT-7是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置，经等离子体物理研究所的不断改进，它已成为一个庞大的实验系统。特别是在2003年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。在HT-7的基础上，等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U(后来名字更改为EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak)。

　　EAST又称“实验型先进超导托卡马克”，是一台全超导托卡马克装置，受国际同行的瞩目。后者普遍认为，EAST可能成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克。该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性，更有利于科学家探索等离子体稳态先进运行模式，其工程建设和物理研究将为“国际热核聚变实验堆”(ITER)的建设提供直接经验和基础。

　　希望之光

　　2001年8月，日本和英国的科学家宣称，开发出一种新方法，以至只需过去一半的能源就能引发核聚变反应。研究人员采取的是分别进行燃料压缩和加热的“高速点火”方式，用新开发的瞬间功率达10亿兆瓦的激光装置，成功把燃料等离子体加热到1000万摄氏度。

　　2005年6月，在成都市双流县白家镇，中国最早研究“人造太阳”的科研机构——核工业西南物理研究院聚变科学所。所长刘永宣布，中国的“人造太阳”已经基本成型了。

　　在聚变科学所的实验大楼里一个如运动场般宽阔的房间，一个占据房间三分之二空间的庞然大物居中摆放着，物件整体呈椭圆形，圆形边缘四周延伸出几个三角形的“角”，从上往下俯看，整体如一枚巨大的五角星形状。在本世纪内，这颗中国太阳将投入运行。

　　科幻小说一般的场景，让人们兴奋不已。“但离真正的商业运行还有相当长的时间，预计可能还要50年。”核工业西南物理研究院科技委主任严建成说。比如ITER，尽管它已启动，但还只是一个实验堆，后面还要经历“示范堆阶段”、“商业堆阶段”才能说离应用不远了，但每个阶段的研究，都将经过十多年。

　　确实，尽管ITER计划采用最先进的设计，但综合以往的经验和成果，它的确还面临重重挑战。即使它能如期在2013年建成，这个10层楼高的庞大机器能否达到预期目标也还是个未知数。诸如探索新的加热方式与机制为实现聚变点火、改善等离子体的约束性能、反常输运与涨落现象研究等前沿课题，偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关还有待于各国科技工作者群力攻关。即使对ITER的科学研究真的成功了，聚变发电站至少还要30年乣50年以后才能实现。

　　但希望之光必将成为燎原之火。在人造太阳真正进入生活前，人类还将为之努力不止。