“東方超環(huán)”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

張素貞

人類曾賴以生存的傳統(tǒng)能源——煤炭、石油、天然氣正在逐漸枯竭，據(jù)預(yù)測(cè)，它們的服務(wù)時(shí)間最多只夠再維持兩三百年。面對(duì)如此嚴(yán)峻的“能源危機(jī)”，人類將視線轉(zhuǎn)移到太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能等新能源上，但因技術(shù)和自然因素的限制，其產(chǎn)生的能量仍無法滿足人類需求。

一籌莫展之際，人類從太陽身上得到了靈感。每天都在發(fā)光發(fā)熱的太陽擁有無窮的能量，而給予它能量的正是太陽核心所發(fā)生的核聚變反應(yīng)，科學(xué)家便由此聯(lián)想到人為制造核聚變反應(yīng)，從而釋放出可以為人類所用的能量。氫彈就是人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一種核聚變反應(yīng)產(chǎn)物，但氫彈的問題是能量緩釋無法控制，所以它爆炸的一瞬間形成了可以毀滅地球的殺傷力。為了將這種具有強(qiáng)大殺傷力的能量轉(zhuǎn)化為可以為人類所用的能源，一系列受控?zé)岷司圩兡艿难芯肯嗬^展開。

我國科技工作者獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的“東方超環(huán)”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，是世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，通過將反應(yīng)原料加熱到上億攝氏度（比太陽核心溫度高十倍）來實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)。因?yàn)檫@一實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理與太陽相同，因此也被稱為“人造太陽”項(xiàng)目。

診斷系統(tǒng)

“東方超環(huán)”在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，科學(xué)家們需要全程監(jiān)控它的各項(xiàng)反應(yīng)參數(shù)。然而由于“超高溫度”造成的極限環(huán)境很難直接測(cè)量，科學(xué)家們就“迂回”地采用光譜分析來推導(dǎo)里面的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。這種方法很像醫(yī)生通過聽診來判斷人體內(nèi)的健康情況，因此將極限環(huán)境下的測(cè)量系統(tǒng)稱為診斷系統(tǒng)。

微波加熱系統(tǒng)

采取家用微波爐的微波共振原理，通過數(shù)萬倍于家用微波爐的加熱功率將聚變?nèi)剂系臏囟燃訜岬缴蟽|攝氏度，以達(dá)到核聚變所需的反應(yīng)溫度（相當(dāng)于數(shù)萬個(gè)家用微波爐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)）。

電流引線系統(tǒng)

將變電站中的“超大電流”（家用電流的1萬倍）輸入到“東方超環(huán)”的通電線圈中，以此產(chǎn)生“超強(qiáng)磁場(chǎng)”。因該系統(tǒng)須暴露在室溫環(huán)境下，無法使用超導(dǎo)材料，所以電流引線很粗，并且外面還包覆一層水循環(huán)冷卻系統(tǒng)來降低溫度。

低溫分配系統(tǒng)

為“東方超環(huán)”上的超導(dǎo)材料分配低溫冷卻劑（主要是零下269攝氏度的液氦），使超導(dǎo)導(dǎo)體達(dá)到所需的低溫，從而實(shí)現(xiàn)“超大電流”在超導(dǎo)材料上“無阻礙”地通過。

抽真空系統(tǒng)

“東方超環(huán)”同時(shí)存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個(gè)極限溫度，真空是有效隔熱的主要手段，也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變?nèi)剂系幕A(chǔ)。抽真空系統(tǒng)可以將整個(gè)裝置主機(jī)內(nèi)抽成需要的真空環(huán)境，為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎(chǔ)，并為核聚變反應(yīng)提供純凈環(huán)境。

中性束注入系統(tǒng)

利用中性粒子不受磁場(chǎng)控制的原理，將加速后具有巨大動(dòng)能的中性粒子與帶電粒子進(jìn)行碰撞來傳遞能量，從而加熱聚變材料。

“東方超環(huán)”上的“超級(jí)”環(huán)境

超級(jí)熱的核心溫度

“東方超環(huán)”上的核心溫度很高，因?yàn)橹挥羞_(dá)到1億攝氏度以上，才具備實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的條件。而太陽的核心溫度才1500萬攝氏度，也就是說，“東方超環(huán)”的核心溫度比太陽還要高上數(shù)倍。在如此高的溫度下，所有物質(zhì)都會(huì)以物質(zhì)的第四種狀態(tài)（即等離子體）存在。這些超高溫的等離子體會(huì)像脫韁的野馬一樣四處逃竄，足以燒蝕任何固態(tài)物質(zhì)。所以，必須要制造出一種可以控制這些“等離子體”的“超級(jí)容器”來限制它們的運(yùn)動(dòng)。那么，這個(gè)“超級(jí)容器”是什么呢？

先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置的等離子體

超級(jí)強(qiáng)的控制磁場(chǎng)

等離子體是一種內(nèi)部帶電的特殊氣體?？茖W(xué)家們利用其帶電特性，用一種“強(qiáng)磁場(chǎng)”來實(shí)現(xiàn)對(duì)這種極高溫氣體的控制。在“東方超環(huán)”上，這種磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以達(dá)到地球磁場(chǎng)的10萬倍。強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線像一條條無形的“鎖鏈”，將高速運(yùn)動(dòng)的等離子體粒子牢牢地“拴”住，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超高溫等離子體的約束，避免這些超高溫度的等離子體將裝置燒毀。那么，如此強(qiáng)大的磁場(chǎng)要如何產(chǎn)生？

超級(jí)大的通電電流

超強(qiáng)的磁場(chǎng)由超大的電流產(chǎn)生?！皷|方超環(huán)”上產(chǎn)生的電流最大可達(dá)家用電的1萬多倍。對(duì)于這么大的電流，承載的導(dǎo)線要做到很粗才不會(huì)被燒斷，但與此同時(shí)，能量也會(huì)在導(dǎo)線上白白損耗掉。為了解決這一問題，“東方超環(huán)”采用了超導(dǎo)導(dǎo)線。超導(dǎo)具有在低溫狀態(tài)下電阻消失的特性。因?yàn)闆]有了電阻，所以無論多大的電流通過，都不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。這樣一來，“東方超環(huán)”所使用的導(dǎo)線就能變得很細(xì)了。那么，如何在“東方超環(huán)”上營造低溫環(huán)境？

等離子容器內(nèi)部

超級(jí)冷的超導(dǎo)線圈

為了使超導(dǎo)導(dǎo)線持續(xù)穩(wěn)定地處在超導(dǎo)狀態(tài)，“東方超環(huán)”上的導(dǎo)線是浸入在零下269攝氏度的液氦中的。也就是說，在“東方超環(huán)”上，不僅存在1億攝氏度的超高溫，還存在零下269攝氏度的超低溫，而這兩個(gè)極限溫度之間的距離只有一米多遠(yuǎn)。這么高的溫差對(duì)裝置材料的損傷很大。為了消除極大溫度差異對(duì)部件材料的影響，“東方超環(huán)”的各個(gè)部件都處于真空狀態(tài)，以減少部件之間的熱傳導(dǎo)。

超級(jí)凈的真空環(huán)境

真空是一種非常稀薄的氣體，由于里面的粒子密度很低，熱傳導(dǎo)很慢，所以真空有著比較優(yōu)良的隔熱性能。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，用來盛放開水的暖水瓶應(yīng)用的就是真空隔熱的原理。只不過，暖水瓶的瓶身真空度比較低，而“東方超環(huán)”的真空度則高得多。在“東方超環(huán)”的核心，真空度維持在大氣壓的一千億分之一左右，而且，“東方超環(huán)”的真空環(huán)境是非常潔凈的。

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER） 示意圖，以紅圈中的兩米高人形作為參照物來顯示其大小

國際核聚變研究發(fā)展概況

對(duì)于核聚變裝置來說，磁場(chǎng)形狀是多樣的。目前，國際上主要采用一種像甜甜圈的圓環(huán)形“磁籠子”來進(jìn)行核聚變實(shí)驗(yàn)，這種環(huán)形裝置有個(gè)通用的名字——托卡馬克。

20世紀(jì)50至60年代，蘇聯(lián)科學(xué)家首次提出了托卡馬克的概念，并建造了世界上第一臺(tái)托卡馬克裝置，取名T-1。在這之后，世界各國的科學(xué)家相繼建造了大大小小超過100座托卡馬克裝置，實(shí)驗(yàn)參數(shù)也在不斷刷新。

為了實(shí)現(xiàn)托卡馬克長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，科學(xué)家引入“超導(dǎo)”概念，開始建造超導(dǎo)托卡馬克。2006年，中國率先建起世界上第一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置——“東方超環(huán)（EAST）”。隨后，韓國也建起了全超導(dǎo)托卡馬克裝置“韓國之星（K-star）”。目前，歐盟、美國、俄羅斯、中國、日本、韓國和印度正聯(lián)合在法國建造一個(gè)更大的超導(dǎo)托卡馬克裝置——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。

全超導(dǎo)的托卡馬克不斷刷新著已有非超導(dǎo)托卡馬克的運(yùn)行紀(jì)錄，其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間由原來的幾秒鐘，被逐漸延長(zhǎng)至幾十秒，幾百秒。未來，科學(xué)家們還將繼續(xù)努力，使運(yùn)行時(shí)間達(dá)到數(shù)小時(shí)甚至全天。到那時(shí)，人類將建造起一座座核聚變電站，這些電站產(chǎn)生的電能可以滿足人類所有的生活需要。