人造太阳 准备升起 太阳如何出生——聚变

　　太阳

　　太阳已烧了50亿年，据说还有50亿年可以燃烧。就算太阳上全是煤，也只能烧2500年，而且也烧不到2000万℃的高温（太阳中心温度）。

　　科学家通过研究太阳的光谱发现，太阳是由氢元素和氦元素组成的，太阳在不间断地

进行核聚变：每秒钟有6亿吨氢在高温高压下聚合成氦，同时释放出巨大能量——每秒释放出的能量，相当于900亿颗百万吨级的氢弹一起爆炸。

　　氢弹

　　1945年8月6日，美国在日本的广岛和长崎扔下了两颗原子弹，爆炸产生巨大威力。

　　1952年11月1日，美国在马绍尔群岛爆炸成功氢弹，其威力是广岛原子弹的500倍。

　　原子弹是通过核裂变释放能量的。重核子（如铀或钚）在中子轰击下产生裂变，分成较轻的核子，同时释放更多中子，造成不受控的连锁反应。

　　氢弹是通过核聚变释放能量的。轻核子（如氘或氚）瞬间结合成较重的元素（如氦），同时释放大量能量。聚变核武也称热核武器，因为它们的连锁反应需要摄氏几百万度的高温激活——在氢弹中，原子弹成了“引爆器”。

　　核电站

　　原子弹和氢弹威力如此巨大，一方面让人恐惧，另一方面却让人兴奋——如果将核裂变和核聚变产生的能量控制起来加以利用，那可以发多少电？

　　于是，核电站出现了。第一座核电站在1954年6月27日开始发电，它就是苏联在卡卢加州建造的奥布宁斯克核电站。通常所说的核电站，是能过核裂变获取能量的，是裂变核电站，使用的原料是铀和钚。

　　目前正在研究中的热核反应堆，则试图用核聚变获取能量，是聚变核电站，使用的原料是氢。地球号称“水球”，储水量约14亿立方千米。一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成，可见，地球上有着非常丰富的氢资源。

　　轻元素的结合，才能放出“聚变能”；像铁这样中等质量的元素，无论聚变还是裂变，都不能放出能量；重元素比如铀，在裂变时放出能量。

　　氘与氚

　　最容易实现的聚变反应，是氢的同位素氘（读如“刀”）与氚（读如“川”）的聚变（同位素就是具有相同原子序数而质量不同的核素。每种元素都有多种同位素，它们的化学性质几乎相同）。

　　氘与氚发生聚变，将两个原子核结合成一个氦原子核。结合过程中，放出一个中子，以及17.6兆电子伏特能量。

　　海水中，大约每6500个氢原子中有一个是氘原子，每升水中有30毫克氘，发生聚变后，可产生的能量相当于300升汽油。一座1000兆瓦的核聚变电站，每年需要304公斤氘。

　　据计算，用这种方式发电，海水中的氘，够人类使用60亿年。

　　自然界中的氚，是宇宙射线的产物，只有几千克。氚可以用锂制造。锂主要有锂-6及锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后变成氚，锂-7吸收一个快中子后也变成氚。

　　万亿分之三毫米

　　原子核都带正电，互相排斥，两个原子核越近，静电斥力也就越大。但近到相距万亿分之三毫米时，它们的核力起作用，吸引力超过静电斥力，两个原子核就聚合到一起，同时释放出巨大能量。

　　这就是核聚变的原理。氢的同位素质子数最少，只有一个，所以互相间静电斥力最小，其中氘-氚聚变又最容易。这就是科学家为什么首先考虑氘-氚聚变的原因。

　　用核聚变方式发电，不是打仗时扔氢弹，而是要发电，那就要将核聚变的能量控制起来，才能利用。

　　上亿摄氏度高温

　　要让两个原子核接近到万亿分之三毫米，必须使它们处于等离子状态运行，互相撞击。这需要超高温。

　　要控制核聚变反应，就要限制规模，有节奏地进行。科学家认为，可行的办法是，控制核聚变燃料的加入速度和每次加入的数量。

　　因此，核聚变装置中，气体密度只能在常温常压下气体密度的几万分之一，对能量的约束，也要有足够长的时间。

　　比如，一个箱子中装的乒乓球越多，乒乓球互撞的概率越大。但不能让乒乓球密集碰撞，免得无法控制，发生氢弹爆炸，那就要减少乒乓球数量，乒乓球太少，但又必须让它们碰撞，这样就要让乒乓球加快运动。

　　在核聚变装置中，加快运动的方法是提高温度。温度如果有太阳中心那么高，在充满氢的太阳上是足够发生聚变反应了，在人类发电用的核聚变反应堆中则不够，需要上亿摄氏度的高温。

　　激光点火

　　这样高的温度，怎么达到呢？氢弹是用原子弹爆炸来“点火”的，可是总不能向热核反应堆扔个原子弹吧，那样的话，温度有了，其他什么都没了。

　　这是核聚变首先遇到的难题。科学家的办法是用激光“点火”。激光输出功率达到100万亿瓦时，就可以点燃核聚变，使物质达到极高温。

　　装太阳的托卡马克

　　高温是获得了，更难的难题也来了：怎么让高温保持一段时间以便达到聚变？这就像是说，用什么材料做成的容器，才可以装下太阳？用什么容器，才装得下比太阳温度更高的东西？

　　这样的容器名叫托卡马克。苏联物理学家塔姆在上世纪50年代提出建造这一容器的设想：将强电流产生的极向磁场，与环形磁场结合，来约束高温等离子体。

　　另一名苏联物理学家阿奇莫维奇试做了几个。他先是在环形陶瓷真空室外，绕很多线圈，用电容器放电，使真空室形成环形磁场。同时用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。

　　后来用不锈钢代替陶瓷，改进线圈工艺，增加线圈。终于，他成功造出了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇把它命名为托卡马克。托卡马克是俄语中“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，意思是环流磁真空室。

　　托卡马克中形成的磁场，又叫磁瓶或磁笼，它不接触有形的物体，因此不怕高温，可以把超高温的等离子体举在空中。

　　抓住高温等离子体

　　托卡马克同时解决了第三个难题：等离子体扩张问题。

　　超高温的等离子体，有强烈向外扩张的特性，必须约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触。

　　托卡马克的总磁场，由大小两个磁场叠加而成，一个是沿大环形的圆形磁场，磁力线沿大圆环旋转；另一个是沿圆环截面的小环形弱磁场，磁力线沿小圆环缓慢旋转。这样磁力线形成螺旋线。正离子和电子在磁场中各绕一圈，互换了位置，但整体还是保持电中性。

　　在磁场约束下，高温等离子体不会向外逃逸，也就不会破坏托卡马克的装置。

　　普通托卡马克装置体积庞大，效率也较低。上世纪末，科学家把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。

　　中国放电4分钟

　　可控核聚变的第四大难题，是放电的持续时间。世界上大多数托卡马克装置都是数秒级的放电。法国的超导托卡马克Tore-Supra，在世界上首先取得这方面的重大成果，第一次将放电时间延长到120秒。中国的HT-7超导托卡马克是第二个超过一分钟的，去年4月更是达到了240秒。

　　买卖总是从蚀本开始

　　上世纪70年代后，世界上掀起了托卡马克的研究热潮。到80年代，美国、欧洲、日本和苏联各自建造了一个大型托卡马克。这4个托卡马克，在可控核聚变研究上，都做出了极其重大的贡献。

　　建在英国的欧洲联合环（JET）是由14个欧洲国家合资的。1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到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，又创造了新纪录：输出功率达12.9兆瓦，达到输入功率的60%。

　　——60%？输入100瓦，输出60瓦？这不是蚀本买卖吗？

　　技术成熟前当然没法赚。目前，托卡马克上获得的最好成绩是125%，理论上算是略有盈余了。

　　这一行没有秘密

　　有人说，搞核聚变技术这一行的，几乎没有秘密可言，因为核聚变研究太难了，在现有技术条件下，别人能做到怎样，你也只能做到怎样。

　　因此，在行内，不仅信息共享，就连设备和材料也可以共享。比如，中国的HT-7就是苏联无偿赠送的，其他许多附属设备，也是欧美各国闲置不用而赠送的，而中国做实验时，各国同行也可以参与。

　　这种技术有三大好处

　　通常说，热核反应堆发电，有三大好处：一是原料取之不尽，二是没有污染，三是没有核泄漏危险。

　　这些是不是真的？地球上有40万亿吨氘。聚变反应中需要的锂，在自然界较少，也要从海水中提取，难度比氘大。而锂必须变成氚，才能与氘发生聚变。地球上有2000多亿吨锂，虽然比氘少得多，但也非常丰富。将来如果研究出氘-氘聚变，锂的问题就不存在了。

　　污染是有的。与普通的裂变核电站不同，聚变不产生千年不分解的核废料，因此可以说清洁能源。但聚变会产生寿命较短的辐射物质，需要对反应堆定期维护。据报道，聚变反应堆产生的废料，从数量上说，与同等功率的裂变核电站相当。与核电站一样，聚变反应堆不产生加剧温室效应的气体。

　　国际热核反应堆的磁环，800多立方米中，只装几克氘和氚。如果环形装置内部平衡被打破，聚变就骤止，因此聚变反应堆不会发生像切尔诺贝利核电站那样的重大泄漏事故，对环境和周围居民不构成威胁。

　　(钟松君 都市快报)