“人造太陽”來了

朱國順

7月28日，世界上第一個實(shí)驗(yàn)性“人造太陽”項(xiàng)目——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，在法國正式啟動安裝。這是當(dāng)今世界規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際大科學(xué)工程，被認(rèn)為是人類能源新時代的黎明。35個合作國家領(lǐng)導(dǎo)人通過遠(yuǎn)程視頻參加了慶典，中國國家主席習(xí)近平致賀信。

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，原理就是要模仿太陽發(fā)出光和熱的方式，在地球上通過可控?zé)岷司圩兊姆绞剑斐鲈谌祟惪刂浦隆靶√枴薄Ｈ绻@個目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，人類將一勞永逸地解決能源問題。

太陽是地球生命的源泉，太陽之源在于熱核聚變。太陽主要元素是氫，占四分之三，這是一種輕原子核，它在高溫高壓下結(jié)合成較重原子核氦的時候會釋放出巨大能量。太陽上的氫在1500萬攝氏度高溫和3000億個大氣壓壓力下，持續(xù)進(jìn)行四個氫核聚變成一個氦核的熱核聚變反應(yīng)，每秒鐘釋放出400萬噸氫巨大能量，表面溫度達(dá)6000攝氏度，為整個太陽系提供光和熱。

類似于太陽這樣的熱核聚變方式，是我們已知最強(qiáng)大能量釋放方式。人類為此長期探索對核聚變的運(yùn)用，七十年前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，那就是威力巨大的氫彈爆炸。但如此巨大核聚變能量，能不能實(shí)現(xiàn)可控釋放、為人類和平發(fā)展提供能源呢？

上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了一種裝置，叫做托卡馬克。這個名字是環(huán)形、真空室、磁、線圈四個詞的縮寫，意思是利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。這個環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈，在通電時候進(jìn)行內(nèi)核聚變，將氘或氚（都是氫的同位素）這樣的輕原子核，在等離子體下有控制地結(jié)合成較重原子核氦，以此釋放出巨大能量。由于地球上沒有3000億個大氣壓那樣壓力，因而只能通過提高溫度來實(shí)現(xiàn)核聚變，因此托卡馬克聚變反應(yīng)裝置持續(xù)運(yùn)行時溫度最高會達(dá)到1.5億攝氏度。如此高溫沒有一種固體物質(zhì)能夠承受，只能依靠強(qiáng)大磁場進(jìn)行約束，由此實(shí)現(xiàn)磁約束核聚變。

原理不復(fù)雜，但工程實(shí)現(xiàn)極為困難，因?yàn)樗魬?zhàn)的是人類能力極限。科學(xué)家們開始了漫漫探索之路。2006年世界上35個國家決定，發(fā)起國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目，英文縮寫為ITER，舉各國之力共同探求可控核聚變的可行性。35個合作國家包括了歐盟成員國和英國、瑞士、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國。這些國家擁有世界一半以上人口、80%的GDP，具有世界領(lǐng)先技術(shù)和資源，可以說是集人類科技能力之大成。

反應(yīng)堆設(shè)置在核技術(shù)先進(jìn)的法國，歐盟和英瑞兩國提供45%資金，另外六個國家各提供9%資金。各成員國的貢獻(xiàn)90%通過實(shí)物方式提供，共同制造一個托卡馬克裝置。今年7月28日開工后，預(yù)計(jì)四年半建成，竣工時間是2025年12月。

ITER運(yùn)行時，首先將幾克氘和氚氣體注入一個巨大托卡馬克反應(yīng)室，然后加熱氣體使它變成云狀電離等離子體，總重量達(dá)1萬噸的超導(dǎo)磁體制造并控制電離等離子體，當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到1.5億攝氏度時就會發(fā)生核聚變，核聚變產(chǎn)生的超高能中子逃逸出磁籠并以熱的形式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，托卡馬克水冷壁內(nèi)循環(huán)的水吸收熱量產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。

按照預(yù)計(jì)，ITER將產(chǎn)生大約50萬千瓦熱能，用于發(fā)電將產(chǎn)生20萬千瓦電能。成功后，商業(yè)化核聚變電站規(guī)模會更大，一座核聚變電站可以達(dá)到200萬千瓦發(fā)電量。

氘是相當(dāng)豐富的氫同位素，每升海水中含30毫克氘，通過聚變產(chǎn)生能量相當(dāng)于300升汽油。每1立方公里海水中氘原子所具有的潛在能量，相當(dāng)于燃燒13600億桶原油的能量，這個數(shù)字大約是地球上的石油總儲量。熱核聚變是清潔能源，沒有核裂變那樣的核污染。

可控核聚變實(shí)現(xiàn)之后的美景，盡可無限想象。那時能源將變得幾乎沒有什么成本，挖煤、抽石油提供能源的日子一去不復(fù)返，僅僅廉價(jià)能源提供的海水淡化，就將使無數(shù)沙漠變?yōu)榫G洲。

太陽給地球帶來了生命和豐富多彩的生活，“人造太陽”的實(shí)現(xiàn)，將讓人類進(jìn)入一個無限精彩的世界。