探秘“人造太陽”

　　“赤日炎炎似火燒”。有氣象學家預測今年很有可能成為有氣象記錄以來最熱的一年，“全球變暖”對人類生存的威脅迫在眉睫。國際社會已經(jīng)行動起來，有些科學家甚至想出了種種為地球降溫的“特別手段”（參見本刊5月號的《給地球“退燒”》）。
　　在中國安徽省的省會合肥，一群科學家正圍繞著一個神秘的巨大裝置（見上圖）埋頭苦干。這個裝置的安裝、調(diào)試和運行吸引著來自世界各地的目光，它有一個很“東方”的名字：EAST。但是，更多的人管它叫做“人造太陽”。
　　什么？天上有一個太陽還不夠嗎？這兩件事又有什么聯(lián)系呢？
　　
　　神說，要有光。就有了光?！妒ソ?jīng)·舊約》
　　
　　在許多民族的上古傳說中，最初的世界都被描述為幽冥黑暗的，而光明是神所賜予的?，F(xiàn)在我們知道，地球上的人類所沐浴的光明和溫暖都源自太陽。事實上，很多古代文明中都有太陽神崇拜，太陽是光明之神。
　　隨著科學的進步，人們知道神秘的“太陽神”不過是一顆普通的恒星。但是太陽之火是怎么燃燒的？這個問題一直困擾著人們。有人曾設想太陽可能是個巨大的煤球，可是一計算，發(fā)現(xiàn)這么大的“煤球”也只夠燒幾千年，而太陽已經(jīng)“燒”了幾十億年了，如今仍處于“壯年期”。再說太陽表面就有6000攝氏度，其內(nèi)部溫度高達1500萬攝氏度，靠普通煤炭燃燒根本達不到這個溫度。自然，把煤炭換成別的我們平常所熟知的燃料也同樣不成。
　　19世紀末，當時的地質(zhì)學家和生物學家們都肯定地認為，地球至少存在了幾十億年（現(xiàn)在我們知道這個數(shù)字約為46億）。偉大的英國物理學家開爾文爵士用他的余生致力于太陽年齡的研究，他考慮了各種可能的因素，用當時最先進的物理和天文知識進行精密計算，最后認為太陽的年齡最多不超過6億年。于是得出一個令人奇怪的結(jié)論：地球竟然比太陽要老得多！
　　開爾文顯然錯了，錯就錯在他還是沒能弄懂太陽“燃燒”的秘密。當然，那個時候沒有任何一個人知道這個秘密。難道，這真的是神的杰作？
　　
　　神啊，賜予我力量吧！——美國卡通片《希曼》
　　
　　讓我們先撇開這個秘密，來感謝一下太陽吧。她帶給世界一片光亮，給我們溫暖，使萬物生長……但也許最重要的，是她賜予我們寶貴的能源。
　　什么是能源？黑夜中點燃的一把火是能源，而被點燃的木材、草料都來自靠陽光生長起來的植物；我們開啟各種電器所用的電、開動汽車所用的汽油、燒飯用的燃氣都是能源，而發(fā)電用的煤、汽油的原料石油以及作為燃氣的天然氣，這些燃料其實都是遠古生物的遺存（所以它們又叫化石能源），它們“生前”也都靠陽光汲取能量；當然水力和風力也是能源，但別忘了，如果沒有太陽，大氣循環(huán)和水循環(huán)將不復存在，當然也沒法用它們來發(fā)電；而太陽能……就更不用說了。
　　我們每一天的生活都離不開能源，但你也一定聽說過“能源危機”這個詞。地球人大量使用煤、石油等化石能源，已經(jīng)到了依賴的程度。不過，這些能源并非可以無限量供應。從目前探明的儲量來看，地球上的石油還能開采40年左右，天然氣還能開采大約60年，而煤炭也只有200年可挖。請你想象一下它們都被開采一空的那一天的情景……
　　另一個嚴重的問題是環(huán)境污染和溫室氣體排放。
　　大力發(fā)展水力、風力和太陽能等可再生能源是一個解決途徑，但它們不足以解決所有的問題，舒服慣了的現(xiàn)代人不太愿意再回頭去過那種出門不坐車、晚上少點燈的簡樸生活了。
　　怎么辦？像希曼一樣祈求神的恩賜？
　　
　　我是死神，我是世界的毀滅者?！《裙旁?br/>　　
　　 在世界上第一枚原子彈的爆炸試驗現(xiàn)場，人稱“原子彈之父”的奧本海默想起了這首印度古詩。爆炸的威力比他原先估計的大了近20倍。
　　人們經(jīng)常把原子能的發(fā)現(xiàn)歸功于大名鼎鼎的愛因斯坦，因為他提出了那個著名的公式：E=mc²，也就是“能量=質(zhì)量×光速的平方”。通俗一點說，就是他發(fā)現(xiàn)了任何一個物體中都蘊藏著能量，因為光速的平方是個很大的數(shù)字（9后面16個0），所以每1克物質(zhì)中都含有驚人的能量。
　　你如果想更形象地記住這一點，可以試想著拔出自己的一顆大牙，拿到天平上去稱一下，它的質(zhì)量差不多就是1克。代入公式計算，你會發(fā)現(xiàn)這顆牙中蘊藏著9×10¹³（9后面13個0）焦耳的能量，這基本上相當于燃燒3000噸煤才能得到的能量，如果瞬間釋放的話，則相當于爆炸了2萬噸TNT炸藥！
　　一顆牙里面就蘊藏著這么大的能量，我們怎么察覺不到？愛因斯坦回答說，那是因為它的能量沒有釋放，就像一個守財奴，他從來不花錢，所以我們也就不知道他其實很有錢。
　　1938年，德國科學家在實驗室里用一個中子去轟擊一團叫做鈾的重金屬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈾的原子核在轟擊下分裂成兩半，同時釋放出兩三個新的中子來，這些中子“飛”出去的時候撞擊到了附近的原子核，使它們也發(fā)生了裂變。就這樣一個變兩個，兩個變四個……而每一個原子核裂變時，都釋放出了巨大的能量。仔細觀察的話，會發(fā)現(xiàn)這些原子核裂變后的“碎片”加起來要比原來稍微輕一點。這稍微損失了一點的質(zhì)量，就是巨大能量的來源。愛因斯坦的公式發(fā)揮作用了！
　　人類找到了新的能量來源。但可惜的是，它首先被用來制造殺人武器。1945年，兩顆原子彈被分別投在了日本的廣島和長崎，兩座城市瞬間化為焦土。
　　戰(zhàn)爭結(jié)束后，人們意識到這玩意兒弄不好會毀了全世界，開始對核活動進行嚴格管束。1954年，第一座核電站在前蘇聯(lián)投入運行，人類走上了和平利用核能之路。
　　
　　長翅膀的不一定是天使，也可能是鳥人?！W(wǎng)絡流行語
　　
　　現(xiàn)在全世界共有400多座建成的核電站，其中我國有4座。核電站和原子彈利用的基本原理一樣，都是鈾的核裂變反應。不同的是，原子彈是瞬間的爆發(fā)，而核電站則是讓這種巨大的能量在人工控制下緩慢而溫和地釋放，這樣就能用于發(fā)電，為人類造福。
　　然而人們很快發(fā)現(xiàn)，問題并不像原先設想的那么簡單。
　　首先是核電站的原料也是極其有限的。能夠用來進行裂變反應的鈾在自然界中的含量非常少，目前探明的全球鈾礦儲量按現(xiàn)有的消耗量計算，只能供人類再使用40年左右。
　　更糟糕的是，核電站在發(fā)電的同時也產(chǎn)出了具有高放射性的核廢料，這些物質(zhì)非?！岸尽?，人受到它的輻射就會患上癌癥甚至送命。人們現(xiàn)在一般把它們深埋在地下或棄之于荒島，但這仍然不能讓人放心，因為它會污染環(huán)境，使周圍的物質(zhì)也染上輻射性，如果地殼再發(fā)生個變動什么的，后果不堪設想。要命的是，這種放射性在上萬年甚至百萬年間都不會消失，誰知道這期間會發(fā)生什么！
　　最讓人心悸的是核泄漏事故。1986年4月26日清晨，前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站發(fā)生核泄漏，隨即8噸多強輻射物質(zhì)噴涌而出，歐洲大部分地區(qū)受到影響，320萬人受到輻射侵害，受污染地區(qū)陸續(xù)有9000多人死于各種癌癥，那里的人們至今仍在核泄漏的陰影下生活。
　　
　　我有一個美麗的愿望，長大以后要播種太陽?！獌焊琛斗N太陽》
　　
　　又回到最前面的問題——那么，太陽是怎么“燃燒”的？
　　要知道這個秘密，必須了解太陽是由什么東西組成的。這看上去有點困難，誰也不可能跑到太陽上去取點物質(zhì)回來分析。但在1859年，德國的一位物理學家和一位化學家合作，發(fā)明了一種“光譜分析法”。通過這種方法，人們終于發(fā)現(xiàn)了太陽的化學元素組成。
　　原來，太陽主要是由氫元素和氦元素組成的。氫和氦是兩種非常輕的氣體。以前節(jié)日里我們經(jīng)常可以看到在街頭賣的那種能飄在空中的氣球就是氫氣球，因為氫極易燃燒爆炸，不安全，所以現(xiàn)在都要求改用氦氣球。
　　但可別想當然地以為太陽上的氫氣在燃燒，其實，它們不是在燃燒，而是在進行著大規(guī)模的核反應，但這種反應跟前面說的核裂變大不相同。重的鈾原子核是在中子的轟擊下一個分裂成兩個，而輕的氫原子核是在引力和高溫的作用下四個聚合成一個，變成了一個氦原子核。而這一個氦原子核要比原先四個氫原子核加起來稍微輕一點。這一點損失掉的質(zhì)量到哪里去了？你肯定已經(jīng)知道了，根據(jù)愛因斯坦的E=mc²，它們轉(zhuǎn)化為巨大的能量被釋放出來了，這就是太陽的光和熱。
　　
　　這個過程叫做核聚變，因為它必須在高溫條件下才能進行，所以又叫熱核反應。
　　于是人們在想，能不能利用這個原理，在地球上“復制”一個小太陽，從而獲得巨大的能量來源？
　　
　　上善若水。——《老子》
　　
　　1952年11月1日，太平洋小島比基尼的上空出現(xiàn)一個耀眼的“小太陽”，那是美國成功炸響了世界上第一枚氫彈。氫彈很小，但它釋放的能量卻相當于幾十顆原子彈，產(chǎn)生了地球上從未有過的超高溫，這才是超級恐怖的大規(guī)模殺傷性武器！但是氫彈也帶給人希望，因為這就是成功進行的“熱核反應”啊！
　　第一顆原子彈爆炸后不到十年，第一座核電站就建成發(fā)電了，所以當時人們樂觀地估計，氫彈一響，最多十幾二十年，人類就可以用上“太陽之火”了。許多國家的政府開始加緊秘密研究工作，希望成為第一座聚變能電站的擁有者。
　　為什么要秘密研究？這不是軍事上的原因，而是因為它一旦研究成功，對人類的影響實在是太巨大了。
　　用來聚變的“原料”是氫的兩種同位素氘（念“刀”）和氚（念“川”）。地球是一顆藍色星球，擁有浩瀚的海洋，而海水中總共蘊藏了大約40萬億噸氘。1升海水中提取出的氘，如果用于核聚變，相當于燃燒300升汽油，整個大海中氘的聚變能量如果全部釋放出來，足夠人類使用100億年。那哪兒是大海啊，根本就是個取之不盡、用之不竭的能源庫！
　　更美妙的是，核聚變不會像核裂變那樣產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性核廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體，是完全干凈的能源。同時，核聚變電站也非常安全，因為受控的聚變反應可以在稀薄的氣體中穩(wěn)定地進行，氣體一旦泄漏，這些本來就稀薄的氣體散發(fā)到空氣中，失去了高溫高壓的條件，反應就會自動停下來。
　　這簡直是完美的能源！未來用上核聚變發(fā)電的人們回顧歷史時，可能會可憐我們這些為汽油漲價、煤礦爆炸擔心，甚至為了爭奪能源而大打出手的“古人”。
　　
　　蜀道難，難于上青天?！畎住妒竦离y》
　　
　　但是50多年過去了，核聚變發(fā)電站還是沒有出現(xiàn)。最樂觀的人們也不得不承認，這件事太難了。
　　到底難在哪兒？
　　氫彈的成功爆炸證明，人可以制造出太陽上存在的核聚變反應。但是氫彈一旦爆炸，人們就無法控制。而發(fā)電廠并不需要一次爆炸，需要的是讓能量緩慢持續(xù)地釋放。問題就是如何控制。
　　我們知道，氫原子核帶有正電荷，它們之間相互排斥。而要想進行核聚變，非得把它們擠壓到非常非常近的距離不可。這就需要一個超高的溫度，在高溫高壓下，氘原子核瘋狂地運動、碰撞，總有一部分原子核可以相互接近到足夠發(fā)生反應的距離。在太陽這樣一個如此龐大的星體上面，只要約1500萬攝氏度就可以“點火”了。但在地球上，這個溫度則需要近億攝氏度。氫彈爆炸是靠原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫“點火”的，但是要想發(fā)電，可不能打原子彈的主意。
　　隨著科技的發(fā)展，科學家們已經(jīng)能夠在實驗室里通過激光、超強電磁波等方式達到上億攝氏度的高溫，但是另一個問題隨之而來。就像火力發(fā)電需要“燃燒爐”，核能發(fā)電也需要一個“容器”，讓氣體在里面老老實實地發(fā)生反應，那么，有什么東西能承受住近億攝氏度的高溫而不被熔化呢？
　　
　　瓶口被錫封著，蓋有所羅門的大印。——《漁夫和魔鬼的故事》
　　
　　科學家總是有古怪的想法，比如這個：能不能既把它們關在“瓶子”里，又不讓它們碰到這個“瓶子”？這樣就能既約束住它們，又不會被它們的高溫熔化掉了。
　　解決了這個問題，實現(xiàn)受控核聚變就能走出關鍵的一步。
　　安徽合肥的那個“人造太陽”EAST就是這樣的一個實驗裝置，它的正式名稱叫做托卡馬克（俄語縮寫，意為磁線圈圓環(huán)室）。你吃過甜面包圈嗎？托卡馬克里面就有一個如同甜面包圈形狀的空腔，空腔內(nèi)是真空，其外是能夠產(chǎn)生磁場的線圈。這個家伙當然不是用來烤面包圈的——科學家們把少量的“輕核燃料”放進去，一通電，在強大磁場的作用下，它們就懸浮在空中。加熱后，上億攝氏度的等離子體（氣體再加熱后的形態(tài)）就在這空腔里轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)啊，好像游樂場里的旋轉(zhuǎn)木馬——它們不會接觸到容器壁，不會惹出亂子來。
　　這有點像傳說中的所羅門的魔瓶，不過起作用的不是魔法（magic）而是磁場（magnetic field）。
　　
　　沒有比腳更遠的路?！魢妗渡礁呗愤h》
　　
　　一切都OK了？還遠遠沒有。
　　EAST自去年建成到現(xiàn)在，已經(jīng)做了兩輪放電實驗，獲得了最大500千安的電流，最大重復放電時間達到9秒，而其設計目標是要達到1000秒的放電時間。此前世界上其他托卡馬克裝置最長的放電時間是240多秒。
　　看來這個家伙真的能“發(fā)電”，但只是短短一瞬。人們?yōu)槊恳淮畏烹姇r間的增加而歡呼，企盼它能一直增加到一個小時、一天、一周、一個月……可是科學家告訴人們，不要太心急，因為要真正實現(xiàn)它的穩(wěn)態(tài)運行，還有許多眼下不能克服的技術困難。
　　另一個問題是，這家伙到現(xiàn)在還是“只賠不賺”，或者剛剛夠“保本”而已——輸出功率小于輸入功率。就是說，為了讓它放電，必須得先給它通電，而它放出來的電還不夠它自己用掉的。
　　諸多問題需要各國科學家共同來解決，因此在這個領域里沒有秘密可言。2005年，由美國、歐盟、中國、俄羅斯、日本、韓國等多方共同參與，在法國南部建立了國際熱核聚變實驗反應堆(Inter)。還有其他許多科學家在研究托卡馬克之外的別的受控核聚變裝置。最樂觀的估計，30到50年后，也就是在各位讀者白發(fā)蒼蒼的時候，核聚變將能夠用于商業(yè)發(fā)電。
　　路很遠，也許比我們想象的還要遠。但執(zhí)著的人們不會停下腳步，因為他們知道，前方就是無限光明的未來。