2003-11-11

　　来自太阳的灵感

　　太阳，高悬九天之上，温暖而灿烂。其永恒放射的万丈光焰自古幻为我们祖先崇拜的图腾，大脑中挥之不去的谜团。斗转星移，沧海桑田，直到19世纪末，放射性研究的开启才真正将人类引领到太阳迷宫的门外，而核聚变的发现终于使人类喊出了那一声响亮的“芝麻开门”。

　　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。几乎在同一时期，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。

　　在地球上造太阳并非科学狂人的疯狂之举，而是人类自身生存的必需。1973年以来，人类已经向地球索取了5000亿桶（约合800亿吨）石油，按现在的开采速度计算，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的危险。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，来释放巨大能量的。且不说这种类型的裂变电站引发的核污染噩梦与之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。

　　因此，人类不得不再次将索求的目光投向太阳，并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。

　　热核聚变所用的重要核燃料是氘。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克。据测，每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油，就是说，“1升海水约等于300升汽油”。地球上海水中有45万亿吨氘，足够人类使用百亿年。

　　更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染，无需担忧失控,不会发生爆炸，是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。

　　其实，人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸，但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难，而驯服核能，使核聚变在人为控制下为人类服务却是件异常艰难的事。时至今日，人们越来越清醒地认识到，受控核聚变实现之日方是我们真正摆脱能源危机之时。

　　万亿分之三毫米的困惑

　　早在1938年，人们就发现了核聚变。然而，距1942年第一座核裂变反应堆建成已半个多世纪了，受控聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。

　　如此举步维艰的根本原因，是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难得多。

　　都带正电的原子核间既彼此吸引又互相排斥，当两个原子核之间相距只有约万亿分之三毫米时，它们之间的吸引力才会大于静电斥力，两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。要实现这一目标，首先必须使聚变物质处于等离子状态，让它们的原子核完全裸露出来。然后，让两个带正电的原子核彼此靠近，但越互相接近，它们之间的静电斥力也越大，只有当带正电的原子核达到足够高的动能时，它们的碰撞才有机会使它们近到这万亿分之三毫米，从而产生聚合。而满足这样的条件需要的是几千万甚至几亿摄氏度的高温。

　　人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。比较切实可行的控制办法是通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一，而且对能量的约束也要有足够长的时间。也就是说，我们无法简单模拟太阳中心那样高的等离子体密度和上亿的温度，只有追求比太阳中心更高的温度来解决碰撞几率问题。仅创造这样苛刻的环境在技术上的难度就可想而知，更何况还要使这样高的温度保持一段时间了。等离子体数量越少，密度越小，保持超高温的时间就需要得越长。还有，超高温的等离子体，有强烈地向外扩张的特性，必须有极强的磁场来约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触，试想，怎样的材料才能装进“太阳”而不自身化为乌有？

　　经过半个多世纪的探索，科学家的研究方向最终汇集到惯性约束和磁约束两种途径上。所谓惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内均匀照射由固体的重氢和氚包覆着气体重氢和氚的燃料球（直径仅数毫米），通过瞬间的压缩加热产生的爆发力的反作用，发生内爆，最后在中心部位达到高温和高密度，引起点火而引发核聚变反应。

　　而磁约束则是利用强磁场可以很好地约束带电粒子的特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，将其中不与四周容器壁接触的聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，而托卡马克类型的磁约束研究更是一路领先，并成为世界上第一座热核反应堆的设计基础。

　　能装“太阳”的托卡马克

　　这个能将几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质—————人造太阳，置入其中的托卡马克究竟身为何物？

　　托卡马克（TOKAMAK）在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，即环流磁真空室的缩写。

　　曾因成功解释切伦科夫辐射现象获1958年诺贝尔物理学奖的苏联著名物理学家塔姆，早在20世纪50年代初，就提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。

　　他认为，把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。受这一思想的启发，前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈，利用电容器放电使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，还改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。

　　托卡马克的神奇之处就在于它通过采用极为巧妙的磁场位形，从而成功克服了一般环形磁场使带电粒子漂移，致使正负电荷分离而产生电场，破坏稳定约束的缺点。它的非圆环形总磁场，由一个沿大环形的圆形磁场与一个沿圆环截面的小环形弱磁场叠加而成，这种合成场的磁力线既沿大圆环旋转，又沿小圆环缓慢旋转而形成螺旋线。带电粒子在这种具有旋转变换的磁场中，正离子绕行一周后，进入到电子漂移前的位置，而电子绕行一周后，进入到离子漂移前的位置。由于正负粒子互换，并不破坏原有的电中性，因而解决了粒子的外侧漂移问题。

　　具有奇特旋转磁场位形的托卡马克的出现，使受控核聚变研究取得了重大的进展。自20世纪70年代起，世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美、欧、日、苏建造了四个大型托卡马克，中国科学院物理所继第一台小型托卡马克CT－6于1975年投入运行后，1984年6月，又建成了中国环流1号（HL－1）。2002年12月，中国环流器2号A，在成都核工业西南物理研究院建成并投入运行。

　　目前，全世界有30多个国家及地区开展了核聚变研究，运行的托卡马克装置至少有几十个。

　　十年后人类会看到什么

　　20世纪末，科学技术的飞速前进，不断给受控核聚变的研究带来令人振奋的消息，经过半个多世纪的漫长接力赛跑之后，ITER（即国际热核反应堆）终于启动有日，受控核聚变的研究已经到了关键的时刻。

　　尽管目前托卡马克技术最成熟，进展也最快。但也有聚变专家认为，它的磁场会出现大破裂，为建立磁约束而消耗的能量的利用率低，聚变反应室内的功率密度不高，而且环形对于检修不便，不能连续运行。因此在实现点火以后，可能会被近几年迅速发展起来的其它磁场形状的磁约束装置所取代。

　　2001年8月，日本大阪大学和英国的科学家宣称，开发出一种新方法，使用这种方法只需过去一半的能源就能够引发核聚变反应。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。他们用新开发的瞬间功率达10亿兆瓦的激光装置，成功地把燃料等离子体加热到1000万摄氏度。日本大阪大学和英国的科研人员日前宣布，激光热核实用化已经不再是遥远的梦。

　　毋庸讳言，ITER计划的确还面临重重挑战，即使世界第一座热核反应堆在2013年如期建成，这个十层楼高的庞大机器能否达到预期目标也还是个未知数。即使对ITER的科学研究真的成功了，聚变发电站至少还要20年以后才能实现。

　　近年来，我国托卡马克研究接连取得突破性进展。10月10日至11日，由英、德、美、俄、法和印度等国家聚变研究单位和“国际热核聚变试验堆”等国际组织的25位全球聚变研究权威齐聚我国中科院等离子体物理研究所，称中国国家大科学工程“先进超导托卡马克实验装置”（EAST）将成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和灵活的冷却结构的托卡马克。更有消息称，我国2005年将建成世界首个“人造太阳”实验装置。

　　无论是ITER计划还是我国的“人造太阳”实验装置，均在筹备与起步阶段，遥望太阳腾空之处依旧是层叠群山。但是，迎接挑战是人类进步的重要原动力。我们有理由相信，不远的将来，世界各国的聚变精英定会不负使命，在托卡马克之中变出个太阳给你看。

　　据《科技日报》

　　【背景】

　　“人造太阳”的科研进程

　　1952年10月31日，美国进行了世界上首次氢弹实验。然而，军事上的一时震撼远没有日趋严重的全球性能源危机来得旷日持久与恐惧。

　　20世纪50年代初，美、英、苏等国的科学家开始受控核聚变研究。

　　1985年，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开展一个核聚变研究的国际合作计划，要求“在核聚变能方面进行最广泛的、切实可行的国际合作”。戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗后来又进行了几次高层会晤，支持在国际原子能机构主持下，进行国际热核实验反应堆，即ITER的概念设计和辅助研究开发方面的合作。

　　1987年春，国际原子能机构总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、苏联的代表在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的国际合作问题，并达成协议，4方合作设计建造国际热核实验堆，并由此诞生了第一个国际热核试验堆的概念设计计划。这个计划于2010年建成的试验堆，预期产生热功率150万千瓦、等离子体电流2400万安培，燃烧时间可达16分钟，与这一雄心勃勃的庞大试验计划同样令人瞠目的是投资，高达80亿美元。

　　但伴随苏联的解体，合作4方中的苏方由俄罗斯接替，计划受到很大影响。而接踵而来的美国退出更是给ITER计划雪上加霜。经过9年的努力，规模大大缩减的国际热核聚变试验反应堆工程设计修改方案终于在2001年6月圆满完成。在修改后的方案中，设计投资减少到32亿美元。

　　2002年10月，第19届国际聚变能大会在法国里昂召开，在这次世界600多位聚变同行参加的盛会上，法国、西班牙、加拿大、日本的四个热核装置安装候选城市都在会展中心设立了展台，并做了精彩陈述。日本甚至表示，如果装置建在日本，愿意出30％的经费。据称，其竞争激烈程度不亚于申办奥运。

　　今年2月18日，美国宣布重新加入这一大型国际计划，中国也于同一天正式加入该项计划。19日，国际热核实验反应堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡决定，将于2013年前在日本、西班牙、法国和加拿大4国中的一个国家中建成世界上第一座热核反应堆。根据计划，首座热核反应堆将于2006年开工，总造价为40亿美元。

　　据《科技日报》

　　【链接】

　　俄模拟核聚变

　　获8倍太阳内部高温

　　俄联邦核中心日前宣布，该中心专家利用“火花－5”激光装置模拟核聚变，获得相当于太阳内部温度8倍的高温。

　　据俄塔斯社报道，在最近进行的实验中，俄研究人员利用12束激光轰击一个盛有氘（氢的同位素之一，也叫重氢）、直径比人头发丝还细的玻璃管，持续时间为0.3纳秒（1纳秒为十亿分之一秒），结果发生了核聚变反应。该中心专家介绍说，他们在试验中实际测得的温度达到1亿摄氏度，是太阳内部温度的8倍。

　　“火花－5”激光装置由俄联邦核中心研制，功率为120万亿瓦，可以发射12束激光，轰击位于该装置中心的标靶，以模拟核反应。在当今全面禁止核试验的环境下，利用该装置可以更好地理解核爆炸过程。

　　据新华社