人造“太陽(yáng)”是世紀(jì)狂想嗎？

錫　士

人造“太陽(yáng)”？！沒(méi)錯(cuò)，的確是人造太陽(yáng)。

2006年初，從合肥科學(xué)島獲悉，以探索無(wú)限而清潔的核聚變能源為目標(biāo)的EAST超導(dǎo)托卡馬克（俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”）已經(jīng)進(jìn)入總裝的最后階段，預(yù)計(jì)將于今年三四月建成，七八月份正式進(jìn)入放電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。據(jù)專(zhuān)家介紹，如屆時(shí)能成功按期完成放電實(shí)驗(yàn)，合肥將成為世界上第一個(gè)建成此類(lèi)全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置并能實(shí)際運(yùn)行的地方。

通俗地講，所謂“人造太陽(yáng)”，是指受控核聚變。受控核聚變即使發(fā)生錯(cuò)誤，劑量過(guò)大，反應(yīng)堆也能夠自己很快地識(shí)別出來(lái)，結(jié)束反應(yīng)，不會(huì)發(fā)生不可控的連鎖反應(yīng)。即使反生可能想像出的最壞事故，周?chē)貐^(qū)也不用疏散。

傳統(tǒng)能源面臨枯竭

地球上的傳統(tǒng)能源資源，其實(shí)根本就不是人們以前所想象的那樣取之不盡，用之不竭，而且，隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，對(duì)能源的利用正呈急劇上升趨勢(shì)。

現(xiàn)已探明，地球上石油資源總計(jì)約1019億桶，天然氣合計(jì)144萬(wàn)億立方米，煤炭10316億噸，鈾436萬(wàn)噸，而石油、天然氣、煤炭可供開(kāi)采的時(shí)間都不超過(guò)450年。

盡管20世紀(jì)后半葉，核能利用出現(xiàn)熱潮，各種類(lèi)型的核電站在世界范圍內(nèi)得到了異常迅速的發(fā)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，來(lái)釋放巨大能量的。且不說(shuō)這種類(lèi)型的裂變電站引發(fā)的核污染噩夢(mèng)和它所創(chuàng)造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲(chǔ)量也僅夠維持?jǐn)?shù)百年之用。

總之，人類(lèi)必須解決日益面臨的能源危機(jī)。

因此，人類(lèi)不得不將索求能源的目光投向太陽(yáng)，并將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實(shí)現(xiàn)和推廣，試圖建設(shè)利用氫的同位素氚和氚的原子核實(shí)現(xiàn)核聚變的熱核反應(yīng)堆。

熱核聚變所用的重要核燃料是氚。一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年耗氚量只需304千克。據(jù)測(cè)，每1升海水中含30毫克氚，30毫克氚聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油，就是說(shuō)，1升海水約等于300升汽油。而地球上海水中有45萬(wàn)億噸氚，足夠人類(lèi)使用60億年。

更為可貴的是核聚變反應(yīng)中幾乎不存在放射線(xiàn)污染，無(wú)需擔(dān)憂(yōu)失控，不會(huì)發(fā)生爆炸，是一種真正無(wú)限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。

其實(shí)，人類(lèi)早已實(shí)現(xiàn)了氚氚核聚變——?dú)鋸棻?，但那種不可控制的瞬間能量釋放只會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)難，而馴服核能，使核聚變?cè)谌藶榭刂葡聻槿祟?lèi)服務(wù)卻是件異常艱難的事。時(shí)至今日，人們?cè)絹?lái)越清醒地認(rèn)識(shí)到，受控核聚變實(shí)現(xiàn)之日方是我們真正擺脫能源危機(jī)之時(shí)。

人造太陽(yáng)之夢(mèng)

太陽(yáng)，高懸九天之上，溫暖而燦爛，其永恒放射的萬(wàn)丈光芒自古便是人類(lèi)祖先崇拜的圖騰。

斗轉(zhuǎn)星移，滄海桑田，直到19世紀(jì)末，放射性研究的開(kāi)啟才真正將人類(lèi)引領(lǐng)到太陽(yáng)迷宮的門(mén)外，而核聚變的發(fā)現(xiàn)終于使人類(lèi)喊出了那一聲響亮的“芝麻開(kāi)門(mén)”。

最初，劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家阿斯頓，在用自已創(chuàng)制的攝譜儀從事同位數(shù)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，氦--4質(zhì)量比組成氦的4個(gè)氫原子質(zhì)量之和大約小1%左右。1929年，英國(guó)的阿特森和奧地利的奧特斯曼聯(lián)合撰文，證明氫原子有聚變?yōu)楹さ目赡苄?，并認(rèn)為太陽(yáng)那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應(yīng)。

隨后的研究證實(shí)，太陽(yáng)發(fā)出的能量來(lái)自組成太陽(yáng)的無(wú)數(shù)的氫原子核。在太陽(yáng)中心的超高壓下，這些氫原子核相互作用，發(fā)生核聚變，結(jié)合成較重的氦原子核，并釋放出巨大的光和熱。于是，科學(xué)家設(shè)想，如果實(shí)現(xiàn)人工控制下氫元素的核聚變反應(yīng)即受控?zé)岷朔磻?yīng)，那么在地球上同樣創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)具有不竭能量的“人造太陽(yáng)。”

在地球上造太陽(yáng)并非科學(xué)狂人的瘋狂之舉，早在1938年，人們就發(fā)現(xiàn)了發(fā)核聚變。然而，距1942年第一座核裂變反應(yīng)堆建成已半個(gè)多世紀(jì)了，受控聚變還是遲遲沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有益的能量輸出。

20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得了重大的進(jìn)展，而托卡馬克類(lèi)型的磁約束研究更是一路領(lǐng)先，并成為世界上第一座熱核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

這個(gè)能將幾千萬(wàn)、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)——人造太陽(yáng)，置入其中的托卡馬克究間身為何物？

托卡馬克（TOKAMAK）在俄語(yǔ)中是“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線(xiàn)圈”幾個(gè)詞的組合，即環(huán)形磁真空室的縮寫(xiě)。

曾因成功解釋切倫科夫輻射現(xiàn)象獲1958年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的蘇聯(lián)著名物理學(xué)家塔姆，早在20世紀(jì)50年初初，就提出了用環(huán)形強(qiáng)磁場(chǎng)約束高溫等離子體的設(shè)想。

他認(rèn)為，把強(qiáng)電流產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)相結(jié)合，可望實(shí)現(xiàn)高溫等離子體的磁約束。受這一思想的啟發(fā)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿奇莫維奇開(kāi)始了這一裝置的研究。最初，他們?cè)诃h(huán)形陶瓷真空室外套多匝線(xiàn)圈，利用電容器放電使真空室外形成環(huán)形磁場(chǎng)。與此同時(shí)，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場(chǎng)。后來(lái)又利用不銹鋼真空室外代替陶瓷真空室，還改進(jìn)了線(xiàn)圈的工藝，增加了匝數(shù)，改進(jìn)了磁場(chǎng)位形，最后成功地建成了一個(gè)高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克。

具有奇特旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位形的托卡馬克的出現(xiàn)，使受控核聚變研究取得了重大的進(jìn)展。自20世紀(jì)70年代起，世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美、歐、日、蘇建造了四個(gè)大型托馬克，中國(guó)科學(xué)院物理所繼第一臺(tái)小型托卡馬克CT-6于1975年制度運(yùn)行后，1984年6月，又建成了中國(guó)環(huán)流1號(hào)（HL-1）。2002年12月，中國(guó)環(huán)流器2號(hào)A，在成都核工業(yè)西南物理研究院建成并投入運(yùn)行。

目前，全世界有30多個(gè)國(guó)家及地區(qū)開(kāi)展了核聚變研究，運(yùn)行的托卡馬克裝置至少有幾十個(gè)。

路還很漫長(zhǎng)

2004年新年來(lái)臨之際，俄羅斯薩羅夫邦核能中心的科學(xué)家們宣布在地球上燃起人造太陽(yáng)。

據(jù)全俄實(shí)驗(yàn)物理科學(xué)研究所科技中心的負(fù)責(zé)人維克多·謝列米爾稱(chēng)。該中心的一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)通過(guò)磁爆技術(shù)制造出了地球磁場(chǎng)強(qiáng)2000萬(wàn)倍的強(qiáng)磁場(chǎng)。他表示：“今后這種高強(qiáng)度磁場(chǎng)將幫助我們進(jìn)行可操控?zé)岷朔磻?yīng)，而這種熱核反應(yīng)將為我們提供無(wú)窮無(wú)盡的環(huán)保清潔能源?！?/p>

謝列米爾解釋稱(chēng)：“我們的人造太陽(yáng)其實(shí)就是一個(gè)巨型的熱核反應(yīng)堆。為了點(diǎn)燃這顆人造太陽(yáng)，就需要將預(yù)先加熱到數(shù)百萬(wàn)度的等離子體在極短的時(shí)間內(nèi)使用超強(qiáng)磁場(chǎng)進(jìn)行壓縮，這個(gè)時(shí)間大約為數(shù)毫微秒（1毫微秒等于十億分之一秒）?！?/p>

在等離子體受壓轉(zhuǎn)化為熱能的同時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，而此時(shí)反應(yīng)堆中的等離子體溫度被加熱達(dá)1億度。據(jù)謝列米爾稱(chēng)，目前科學(xué)家們?cè)趬嚎s等離子體時(shí)所用時(shí)間只能達(dá)到5微秒（1微秒等于百萬(wàn)分之一秒）。因此，科學(xué)家們寄希望于正在薩羅夫研制的新裝置來(lái)加速此壓縮進(jìn)程。

但事情并非如此簡(jiǎn)單。因?yàn)?，輕元素原子核的聚合遠(yuǎn)比重元素原子核的分裂困難多得。

都帶正電的原子核既彼此吸引又互相排斥，當(dāng)兩個(gè)原子核之間相距只有約萬(wàn)億分之三毫米時(shí)，它們之間的吸引力才會(huì)大于靜電斥力，兩個(gè)原子核也才可能聚合到一起同時(shí)釋放出巨大的能量。而滿(mǎn)足這樣的條件需要的是幾千萬(wàn)甚至幾億攝氏度的高溫。

人類(lèi)要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過(guò)程。比較切實(shí)可行的控制辦法是通過(guò)控制核聚變?nèi)剂系募尤胨俣燃懊恳淮蔚募尤肓?，使核聚變反?yīng)按一定的規(guī)模連續(xù)或有節(jié)奏地進(jìn)行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬(wàn)分之一，而且對(duì)能量的約束也要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。也就是說(shuō)，我們無(wú)法簡(jiǎn)單模擬太陽(yáng)中心那樣高的等離子體密度和上億的溫度，只有追求比太陽(yáng)中心更高的溫度來(lái)解決碰撞幾率問(wèn)題。創(chuàng)造這樣苛刻的環(huán)境在技術(shù)上的難度就可想而知。

還有，超高溫的等離子體，有強(qiáng)烈地向外擴(kuò)張的特性，必須有極強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)約束住它們，絕對(duì)不讓它們與四周容器壁接觸，試想，怎樣的材料才能裝進(jìn)“太陽(yáng)”而不自身化為烏有？

這不啻是一個(gè)曠古難題。

從1990年開(kāi)始，合肥科學(xué)島等離子體所歷時(shí)3年多建成中國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)體托卡馬克裝置——HT-7，使中國(guó)成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的國(guó)家，實(shí)驗(yàn)中最高溫度超過(guò)5000萬(wàn)攝氏度。從2000年開(kāi)始，專(zhuān)家們?cè)贖T-7的基礎(chǔ)上，開(kāi)始建另一個(gè)更大型代號(hào)為EAST的新一代全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。

據(jù)了解，作為HT-7的升級(jí)版，EAST能使等離子穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間達(dá)到16分鐘以上，能獲得1億攝氏度以上的高溫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界上現(xiàn)有最先進(jìn)的托卡馬克裝置，是我國(guó)“九五”重大科學(xué)工程之一，該工程總投資近3億元。

如果按期完成放電試驗(yàn)，那EAST就是世界上第一個(gè)建成的非圓截面、全超導(dǎo)托卡馬克。然而中國(guó)的花費(fèi)卻只到世界上同類(lèi)裝置的1/15或1/20。