寻找人类不竭能源 七方携手开发“人造太阳”

　　巴黎时间11月21日，参加国际热核聚变实验反应堆计划(简称国际热核计划，英文缩写ITER)的欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度的七方代表21日在法国总统府正式签署了联合实验协定及相关文件，全面启动了世界瞩目的人类开发新能源的宏伟计划。

　　ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。

　　背景

　　ITER计划

　　早在1985年就由前苏联在美苏日内瓦峰会上提出，1986年由前苏联、美国、欧盟及日本开始设计和筹建，1998年基本完成前期工作。ITER计划的建设期从2006年开始大约10年，耗资约46亿美元，此后还有运行期20年、退役期5年，35年总费用将不少于100亿美元。目前，该计划共有7方参与，中国于2003年2月正式成为参与国之一，此后韩国(2003年6月)和印度(2005年12月)也相继加入。中国将承担该计划10%的投入，这包括人力、物力及实物的投入，同时也相应分享所有相关资料及知识产权。

　　1、ITER对中国意味着什么

　　核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。

　　我国是一个持续高速发展的发展中大国，能源问题日益突出，因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排，对国际上有关ITER计划的讨论一直给予高度关注。

　　2003年1月国务院批准我国参加

　　ITER计划谈判，经过三年谈判，2006年5月24日，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定，标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段。

　　尽管此前有人担心我国与发达国家在该领域尚有一定差距，但实践证明，我国完全有能力完成分配给我方的工作任务。这是我国首次作为正式成员国参加国际大型科学合作计划，因此该合作项目从一开始就得到了党中央的高度重视，建造期间我国将投入40亿至50亿元人民币。

　　ITER计划是我国改革开放以来有机会参加的最大的多边国际大科学工程合作项目。参加ITER计划从长久看，可以解决我国可持续所需能源问题，而且，参与这一计划本身也是难得的机遇。

　　它有利于大幅度提升我国在科学技术领域参加国际合作的层次；有利于推动我国聚变能研究开发，加快我国聚变能开发进程；有利于我国学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验；有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高电压技术等众多领域的研究开发能力；有利于锻炼和造就一批高水平、高素质的科研人员、工程技术人员和管理人员，为我国聚变事业的发展打下坚实人才基础。

　　代表中国政府签署协议的中国科技部部长徐冠华在发言中表示，今天是人类探索聚变能源开发的一个历史性时刻，是各国通过合作寻求解决人类面临的能源和环境问题、实现人类可持续发展的新的里程碑。他说，前不久，中国自行研制的全超导托卡马克EAST核聚变实验装置已经成功调试并初步放电。由于它与国际热核聚变实验反应堆有相似的位形，其运行将为国际热核计划的前期研发做出贡献。他特别强调指出，中国政府高度关注可持续发展，中国将与其他各方一道，为早日在世界上实现聚变能源的利用贡献力量。

　　2、“人造太阳”一波三折

　　舆论认为，国际热核计划的启动并非一帆风顺，多个大国共同参与的局面来之不易。

　　从上世纪50年代初美国和苏联分别开始秘密研究可控核聚变以来，半个多世纪过去了，全世界共建造了上百个相关实验装置。但科学家们在理论研究和实验技术上遇到一个又一个难以逾越的障碍，人们距离最初的目标依然很远。各国逐渐意识到，开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能源利用的可行之路。

　　1985年，当时的美国总统里根和苏联总统戈尔巴乔夫在一次首脑会议上倡议，制订一个核聚变研究的国际合作计划；1986年，美、欧、日三方表示愿意接受苏联有关合作计划的建议；1992年，在国际原子能机构的框架内，上述四方首次签署了国际热核计划工程设计协议，决定建设实验反应堆。

　　苏联的解体使国际热核计划受到很大影响。随后，美国也因自认为将在核聚变技术上领先其他国家而在1999年宣布退出，国际热核计划遭受到了前所未有的打击。此时，日本和欧盟成为支持这一研究计划的中坚力量。科学家对相关内容作了不小的调整，新的工程设计修改方案也终于在2001年圆满完成。

　　修改后的计划内容包括一座原型聚变堆在2025年前投入运行，一座示范聚变堆在2040年前投入运行。计划推出后吸引了广泛关注，不少国家都开始商谈参与该计划，美国也由于国内热核聚变研究进展缓慢，开始担心被国际热核计划联盟甩在后面，于2003年2月宣布重新加入这一大型国际计划。不久后，中国和印度也正式加入该计划。

　　由于总投资额为99亿欧元，该计划的参与方将从中获得巨大的科技和经济利益。具备条件参加建设地角逐的只有日本和代表欧盟的法国，然而就是这样一个纯技术性的选址问题，却因为美法在伊拉克问题等政治上的纷争而闹得沸沸扬扬。从2003年开始，美国明确支持日本为反应堆建设地，欧盟和法国则寸步不让。

　　由于有关争论可能使国际热核计划再次面临夭折危险，经过再三权衡，日本和法国都作出让步，日本退出建设地竞选，法国则许诺将一些分支项目设在日本，并让更多日本科学家前往法国参与建设和研究工作。2005年6月，有关各方在俄罗斯首都莫斯科达成协议，决定法国南部马赛附近的卡达拉舍将成为国际热核计划的建设地。这一决定终于使法日两国关于建设地的博弈尘埃落定。

　　国际热核计划是目前世界上仅次于国际空间站的一个大型国际科学工程计划。根据签署的协定，国际热核计划的实施将历时35年，其中建设阶段10年，运行和开发阶段20多年。由于投资巨大，时间跨度长，技术挑战十分艰巨，科学家预计，即使将有关设施建好以后，核聚变研究也需要几十年的时间才能真正获得成果。尽管如此，成百上千的各国科学家长期聚集法国卡达拉舍，交流经验、提高科研水平，这本身将极大地促进各国的新能源研究，并最终造福于人类社会。

　　3、国际热核计划的意义和挑战

　　国际热核计划可以解答一个问题：一升海水怎么等于三百公升的汽油。

　　原因就是在一升海水当中含有氢的同位素氘，如果你把它提取出来，放到未来的人造太阳当中发生聚变反应，放出来的能量等同于燃烧三百公升的汽油的能量。

　　根据科学家的分析，如果我们未来能建成一座1000兆瓦的核聚变电站，每年只需要从海水中提取304公斤的氘就可以产生1000兆瓦的电量，照此计算，地球上仅在海水中含有的45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，比太阳的寿命还要长。

　　目前的核电站是通过重金属元素原子核发生裂变反应获得巨大能量，而核聚变反应主要借助氢同位素，这种原料在地球上取之不尽，而且核聚变放射性微乎其微，不产生核废料，对环境的污染很小。因此核聚变被认为是未来解决世界能源和环境问题最重要的途径之一，对发展中国家和地区具有特别重要的意义。这一计划一旦成功，将为人类开发新一代战略能源带来一次革命。

　　目前全面启动的国际热核计划旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，规模可与未来实用聚变反应堆相仿，用以解决建设聚变电站的关键技术问题。

　　国际热核计划之所以联合众多国家参加，是因为其建设面临不少技术挑战。

　　专家认为，在核聚变反应堆里，氢同位素重氢和超重氢等原子聚合后，变成更重的原子。这和通过分裂而释放能量的核裂变截然不同，人们需要进行许多实验来了解有关反应的特性。

　　此外，要在地球上使用受控的核聚变反应堆，就必须把气体加热到超过1亿摄氏度。这在工程和材料上的挑战将非常艰巨。有关科学家设想兴建一个圆环型的磁力悬浮实验室，把聚合反应堆放在里面。科学家预计，即使将有关设施建好以后，核聚变研究也需要几十年的时间才能获得成果。

　　4、“人造太阳”何时能变为现实

　　据了解，7方签署的国际热核计划透露，项目将历时35年，总投资额为99亿欧元。

　　人们不禁要问，我们何时能在日常生活中享受到这种伟大计划带来的别样体验？

　　1952年，当第一颗氢弹爆炸之后，人类制造核聚变反应成为现实，但那只是不可控制的瞬间爆炸。从那个时候开始，科学家们一直在寻找途径，把氢弹爆炸在某个试验装置上面加以控制地让它发生，然后源源不断地取出它的核聚变能。50多年的时间过去了，这个梦想一直没能实现。

　　核聚变产生的能量是难以驯服的。

　　如果说我们没有物质的器皿能盛装上亿度高温的高温等离子体聚变燃料，我们可否用磁场构造一个磁的容器，来盛装约束极高温度的聚变燃料，这就是托克马克这一种类型的磁约束聚变装置，它就是用这个装置外面大量大的线圈和磁体产生一个环形的磁容器，在这个磁容器里面约束、加热聚变的燃料，让它发生聚变反应。

　　过去60年来，全球将近有一百个大大小小的托克马克，正是所有的托克马克，你贡献这一点，我贡献那一点，你有这个特点，我有那个特点，使得我们敢于去建造越来越大的托克马克聚变装置。

　　目前，在世界上最大的托克马克装置欧洲联合环上面已经获得了最大的聚变功率输出，到了16到17兆瓦，但是都只能短暂地运行，只能存在几秒、十几秒钟。

　　从我国在这方面的研究进展我们或许可以了解到，“人造太阳”与我们普通民众的距离。

　　今年9月28日，在合肥，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

　　国际聚变界普遍认为，今后实现聚变能的应用将历经三个战略阶段，即：建设ITER装置并在其上开展科学与工程研究(有50万千瓦核聚变功率，但不能发电，也不在包层中生产氚)；在ITER计划的基础上设计、建造与运行聚变能示范电站(近百万千瓦核聚变功率用以发电，包层中产生的氚与输入的氘供核聚变反应持续进行)；最后，将在本世纪中叶(如果不出现意外)建造商用聚变堆。

　　我国将力争跟上这一进程，尽快建造商用聚变堆，使得核聚变能有可能在本世纪末在我国能源中占有一定的地位。

　　(本版稿件/本报综合新华社、央视等报道集成/本报记者 张许峰 张书泽)

　　链接

　　热核反应四大疑问

　　一、反应堆如何运转

　　在一个环形容器内把氘和氚的混合气体加热到一亿度以上的高温，在这种条件下氘和氚才会聚变。

　　二、能源取之不竭吗

　　理论上，只需1公斤氘和10公斤锂(通过锂可以得到氚)就可以保证一个聚变核电站一天内以1000兆瓦的功率发电。相比之下，得到这么大的功率需要500公斤铀或1万吨煤。通过电解海水，轻而易举就可以得到大量的氘。地球上海水中有45万亿吨氘，足够人类使用60亿年。锂在自然界中很少，也要从海水里提取，但要比氘难度大。

　　三、是清洁能源吗

　　核聚变与核裂变不同，它不产生长达千年都不能分解的核废料。但是聚变能产生寿命较短的辐射物质，也必须进行处理。另外，它不产生加剧温室效应的气体。

　　四、反应堆有危险吗

　　与目前的核电站不同，聚变反应堆从本质上讲不可能发生泄漏。所以国际热核实验反应堆和下一代核聚变反应堆，不会发生重大事故。核聚变反应堆唯一要注意的问题就是要制定防辐射的保护措施。另外，它也不对环境和周围居民构成威胁。

　　新知

　　“太阳”是怎么造出来的

　　如果说重原子核在中子打击下分裂放出的“裂变能”是当今原子能电站及原子弹能量的来源，则两个轻原子核聚合反应放出“核聚变能”就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氢的同位素———氘和氚的核聚变反应(即氢弹中的聚变反应)是相对比较易于实现的。

　　考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。

　　因此，实现“受控热核聚变”首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束，使之不飞散的，因此必须寻求某种途径，防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场(因为带电粒子只能沿磁力线运动)是一种最可能的选择。对设计不同的“磁笼”中等离子体运动行为及防止逃逸的研究(即所谓稳定性研究)，成为实现受控热核聚变的一大难点。

　　如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持(不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量)。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。提高“磁笼”约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的主要内容之一。除了验证科学可行性外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质等一系列科学和工程上的难题。