二十世紀后半葉，各種類型的核電站在世界范圍內(nèi)得到了異常迅速的發(fā)展。它們的原理都一樣，利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變，釋放出巨大的能量，這就是人們所說的重核裂變，簡稱核裂變。然而，事實上在元素按原子量大小排列的另一端，小原子量的輕元素氫的原子核的聚合，也會產(chǎn)生巨大的能量。在氫原子核的聚合中，又以它的同位素氘和氚的原子核的聚合最容易實現(xiàn)。它被稱為輕核聚變，簡稱核聚變。
理想的新能源
早在1933年，既發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象五年前，人類就發(fā)現(xiàn)了核聚變。雖然核裂變比核聚變發(fā)現(xiàn)得晚，但是很快就實現(xiàn)了核裂變爆炸。隨著受控核裂變發(fā)電獲得成功，世界范圍內(nèi)大規(guī)模核電站建設迅速展開，并投入商業(yè)運行。
在核聚變實現(xiàn)后，同樣，人們也試圖能和平利用受控核聚變，如建立受控核聚變發(fā)電廠。與利用核裂變發(fā)電相比，利用受控核聚變的能量來發(fā)電具有許多優(yōu)點：一是理論和實踐都證明，核聚變比核裂變釋放出的能量要大得多；二是資源蘊藏豐富，作為重核裂變主要原料的燃料鈾，目前探明的儲量僅夠使用約一百年，而輕核聚變用的燃料氘在海水中儲藏豐富，1升海水可提取30毫克氘，通過聚變反應能釋放出相當于300公升汽油的能量?？芍^取之不盡，用之不竭；三是成本低，1公斤濃縮鈾的成本約為1.2萬美元，而1公斤氘僅需300美元；四是安全可靠，萬一發(fā)生事故，反應堆會自動冷卻而停止反應，不會產(chǎn)生放射性污染物，不會發(fā)生爆炸事故。
但是，人類發(fā)現(xiàn)核裂變半個多世紀過去了，受控核聚變的研究進展緩慢，與受控核裂變的研究情況不同，受控核聚變至今還沒有實現(xiàn)可利用的能量輸出。
認識“托卡馬克”
受控核聚變研究舉步維艱，根本原因是輕元素原子核的聚合遠比重元素原子核的分裂困難。原子核之間的吸引力是很大的，但原子核都帶正電，又互相排斥，只有當兩個原子核之間的距離非常接近，大約相距只有萬億分之三毫米時，它們的吸引力才大于靜電斥力，兩個原子核才可能聚合到一起同時放出巨大的能量。因此，首先必須使聚變物質(zhì)處于等離子狀態(tài)，讓它們的原子核完全裸露出來。然而，兩個帶正電的原子核越互相接近，它們之間的靜電斥力也越大。只有當帶正電的原子核達到足夠高的動能時，這需要幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫，它們的碰撞才有機會使它們非常接近，以致產(chǎn)生聚合。
1933年，人們用加速器使原子核獲得所需的動能，在實驗室實現(xiàn)了核聚變?？墒菑倪@樣的核聚變中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本無法獲得增益的能量。1952年，美國用原子彈爆炸的方法產(chǎn)生高溫，第一次實現(xiàn)了大量氘、氚材料的核聚變。但這種方法的效果是，在極短時間內(nèi)使核聚變釋放出巨大能量，產(chǎn)生強烈爆炸，即氫彈爆炸。人類要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過程。核聚變反應比較切實可行的控制辦法是，通過控制核聚變?nèi)剂系募尤胨俣燃懊恳淮蔚募尤肓?，使核聚變反應按一定的?guī)模連續(xù)或有節(jié)奏地進行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。另外，對能量的約束要有足夠長的時間。
二戰(zhàn)末期，前蘇聯(lián)和美、英各國曾出于軍事上的考慮，一直在互相保密的情況下開展對核聚變的研究。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)裝在什么容器里一直是困擾人們的難題。二十世紀五十年代初期，前蘇聯(lián)科學家提出托卡馬克的概念。托卡馬克（ T OKAMAK）在俄語中是由“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞組合而成，這是一種形如面包（多納）圈的環(huán)流器，依靠等離子體電流和環(huán)形線圈產(chǎn)生的強磁場，將極高溫等離子狀態(tài)的聚變物質(zhì)約束在環(huán)形容器里，以此來實現(xiàn)聚變反應。
1954年，第一個托卡馬克裝置在原蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成。當人們提出這種磁約束的概念后，磁約束核聚變研究在一些方面的進展順利，氫彈又迅速試驗成功，這曾使不少國家的核科學家一度對受控核聚變抱有過分樂觀的態(tài)度。但人們很快發(fā)現(xiàn)，約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩(wěn)定。另外，等離子體在加熱過程中能量也不斷損失。經(jīng)過了二十多年的努力，遠未達到當初的樂觀期望，理論上估計的等離子體約束時間與實驗結果相差甚遠。人們開始認識到核聚變問題的復雜和研究的艱難。在這種情況下，蘇、美等國感到保密不利于研究的進展，只有開展國際學術交流，才能推進核聚變的深入研究。另外，磁約束核聚變與熱核武器在科學技術上沒有重大的重疊，而且其商業(yè)應用的競爭為時尚早。于是，1958年秋在日內(nèi)瓦舉行的第二屆和平利用原子能國際會議上達成協(xié)議，各國互相公開研究計劃，并在會上展示了各種核聚變實驗裝置。自這次會議后，研究重點轉向高溫等離子體的基礎問題，從二十世紀六十年代中到七十年代，各國先后建成了很多實驗裝置，核聚變研究進入了一個新的高潮期，人們逐漸了解影響磁約束及造成能量損失的各種機理，摸索出克服這種不穩(wěn)定性及能量損失的對策。隨著核聚變研究的進展，人們對受控核聚變越來越有信心。
有合作也有各自為戰(zhàn)
在半個多世紀的核聚變研究中，可以說人們對五花八門的設想都進行了原理性探索，最終匯集到大致沿著慣性約束和磁約束兩種途徑前進，其中，托卡馬克類型的磁約束研究又領先于其它途徑，在技術上最成熟，進展也最快。在托卡馬克裝置上努力提高能量增益因子，即提高輸出功率與輸入功率之比一直是核聚變研究的重點目標之一。直到1970年，前蘇聯(lián)在托卡馬克裝置 T－3上，才有可以察覺到的核聚變能量輸出，能量增益因子 Q值為十億分之一。從二十世紀七十年代末開始，美、歐、日、蘇開始建造四個大型托卡馬克，即美國的托卡馬克聚變實驗反應器 T FTR，歐洲建在英國的歐洲聯(lián)合環(huán) J ET，日本的JT－60和原蘇聯(lián)的 T－20（后來因經(jīng)費及技術原因改為較小的 T－15,采用超導磁體），它們是后來在磁約束聚變研究中做出了決定性貢獻的四個裝置。其中，有的反應器把能量增益因子 Q值提高到0.2,比十年前增加了兩億倍。
在和平利用核聚變的不懈探索中，理論研究和實驗技術上遇到了一個又一個難題，進一步開展廣泛國際合作是加速實現(xiàn)核聚變能利用的明智選擇。1985年，美國里根總統(tǒng)和前蘇聯(lián)戈爾巴喬夫總統(tǒng)，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃，要求“在核聚變能方面進行最廣泛的切實可行的國際合作”。后來戈爾巴喬夫、里根和法國總統(tǒng)密特朗又進行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構（ I AEA）主持下，進行國際熱核實驗堆（ I TER）概念設計和輔助研究開發(fā)方面的合作。這是當時也是當前開展核聚變研究的最重大的國際科學和技術合作工程項目。1987年春，IAEA總干事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、前蘇聯(lián)的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，并達成了協(xié)議，四方合作設計建造國際熱核實驗堆。
國際熱核實驗堆是一個基于托卡馬克方案的項目，主要目的是實現(xiàn)氘－氚燃料點火并持續(xù)燃燒，最終實現(xiàn)氘－氚燃料的穩(wěn)定燃燒；證明利用核聚變發(fā)電是安全的，也不污染環(huán)境；另外也進行核聚變工藝技術一體化實驗。由于氘－氚燃料點火的需要，這個實驗堆要建得相當大，當時設定的指標是，環(huán)形管的大環(huán)半徑8米，管的半徑3米，估計將產(chǎn)生熱功率150萬千瓦、等離子體電流達2400萬安培，燃燒時間可達16分鐘，預計2010年建成，計劃投資達80億美元。未來發(fā)展計劃包括一座原型聚變堆，在2025年前投入運行。如果 I TER獲得成功，下一個目標是建造一座示范核聚變堆，并在2040年前投入運行。2050年以后有望開發(fā)商用核聚變堆。
在國際原子能機構的支持下，合作四方在1988年－1990年期間完成了國際熱核試驗堆的概念設計，1991年轉入工程設計階段。國際熱核實驗堆計劃的經(jīng)費由四方負擔，但隨著前蘇聯(lián)的解體，合作四方中的蘇方由俄羅斯接替，這一計劃的進展受到了很大影響。
美、歐、日、俄在參與 I TER工作同時，還安排了自己的核聚變研究。歐共體在進行自己的實驗堆 J ET的設計和執(zhí)行法國的 T ore－ Supra計劃，美國利用大型托卡馬克聚變試驗反應器 D III－D及TFTR，日本利用JT－60和JT－60U聚變試驗反應器，都深入開展了各自的實驗研究。此外，在其他一些國家，如印度、巴西、伊朗、韓國等都有自己核聚變研究計劃，也力爭在核聚變開發(fā)研究中占有一定的位置。目前全世界已有30多個國家及地區(qū)開展了核聚變研究，運行的托卡馬克裝置至少有幾十個。
中國在1956年制定的“十二年科學規(guī)劃”中決定開展核聚變研究，經(jīng)過不懈努力，到二十世紀八十年代，建成了中國環(huán)流器一號 HL－1以及HT－6B、HT－6M等一批有影響的聚變研究實驗裝置。進入九十年代，又把 HL－1改建成中國環(huán)流新一號 HL－1M，其參數(shù)達到國際上同類型同規(guī)模裝置的先進水平。隨著第一個超導托卡馬克 HT－7實驗裝置的建成，中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家，為在核聚變研究領域進入世界前沿打下了堅實的基礎。
鼓舞人心的成果
近十年來，各國在托卡馬克裝置上的核聚變研究不斷取得令人鼓舞的進展。1991年11月9日，歐共體的 J ET托卡馬克裝置成功地實現(xiàn)了核聚變史上第一次氘－氚運行實驗，在氘氚6比1的混合燃料（86％氘，14％氚）中，等離子體溫度達到3億攝氏度，核聚變反應持續(xù)了2秒鐘，產(chǎn)生了1×1018個聚變中子，獲得的聚變輸出功率為0.17萬千瓦，能量增益因子 Q值達0.11－0.12。雖然高峰聚變功率輸出時間僅有2秒，但這是人類歷史上第一次用可控方式獲得的聚變能，意義十分重大。這一突破性的進展極大地促進了國際托卡馬克實驗堆 I TER計劃的開展。
1993年12月9日和10日，美國在 T FTR裝置上使用氘、氚各50％的混合燃料，使溫度達到3億至4億攝氏度，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，大約為 J ET輸出功率的2倍和4倍，能量增益因子 Q值達0.28。與 J ET相比， Q值又得到很大提高。
1997年9月22日，聯(lián)合歐洲環(huán) J ET又創(chuàng)造輸出功率為1.29萬千瓦的世界紀錄，能量增益因子 Q值達0.60,持續(xù)時間2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦， Q值達到0.65。
1997年12月，日本方面宣布，在JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應， Q值可以達到1.00。后來， Q值又超過了1.25。在JT－60U上，還達到了更高的等效能量增益因子，大于1.3,它也是從氘－氘實驗得出的結果外推后算出的。
2002年3月，日本在托卡馬克型熱核聚變基礎實驗裝置“ T RIAM－IM”上使用高頻電流產(chǎn)生出了熱核聚變所需要的高溫等離子體電流，國際熱核聚變實驗堆原先就計劃把取消變壓器作為研究課題之一，而這一研究成果為簡化熱核聚變反應堆的設計提供了可能，并可降低建設成本。
另外，超導技術成功地應用于產(chǎn)生托卡馬克強磁場的線圈，建成了超導托卡馬克，使得磁約束位形的連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行成為現(xiàn)實，這是受控核聚變研究的一個重大突破。超導托卡馬克是公認的探索、解決未來具有超導堆芯的聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。2002年初，中國 HT－7超導托卡馬克實現(xiàn)了放電脈沖長度大于100倍能量約束時間、電子溫度2000萬攝氏度的高約束穩(wěn)態(tài)運行，中心密度大于每立方米1.2×1019。目前，全世界僅有俄、日、法、中四國擁有超導托卡馬克。法國的超導托卡馬克 T ore－Supra體積是 HT－7的17.5倍，它是世界上第一個真正實現(xiàn)高參數(shù)準穩(wěn)態(tài)運行的裝置，在放電時間長達120秒條件下，等離子體溫度為2000萬攝氏度，中心密度每立方米1.5×1019,放電時間是熱能約束時間的數(shù)百倍。
這些實驗表明，磁約束核聚變研究已進入真正的氘－氚燃燒試驗階段。而且，國際核聚變研究將由驗證核聚變科學可行性的基礎研究轉向以證實工程可行性為主的聚變工程技術研究。
各國在紅紅火火地開展受控核聚變的同時， I TER卻遇到挫折。美國于1998年7月宣布退出國際熱核實驗反應堆計劃。幾年來，美國對核聚變研究的財政撥款一直維持在2億多美元，這是維持美國核聚變研究所需資金的下限。國際熱核實驗反應堆計劃的預算投資巨大，要求美國追加經(jīng)費，這一議案遭到美國納稅人的拒絕，未獲國會通過。1996年1月，美國聚變能顧問委員會（ F EAC）按照美國國會的指導方針和預算的現(xiàn)實情況制定了“重建的聚變能科學計劃”，即把核聚變研究從圍繞國際熱核實驗反應堆的技術研究轉到基礎科學研究上來。美國雖然退出了 I TER計劃，但是，又不甘心被甩在外面，仍設法派觀察員參加反應堆計劃會議。
美國退出以后，俄羅斯雖十分支持 I TER，但沒有經(jīng)濟實力，顯得力不從心，只有歐共體和日本全力支持。實際上，日本和歐共體國家現(xiàn)已成為支持國際磁約束聚變研究規(guī)劃的主體力量。原因是歐洲，尤其是日本，都缺乏能源資源，迫切需要開發(fā)新能源。
新進展帶來新希望
經(jīng)過九年的努力，2001年6月終于圓滿完成了國際熱核聚變試驗反應堆工程的設計活動。新的設計調(diào)整了最初的工程投資和建造規(guī)模，計劃投資減少到32億美元，環(huán)形管的大環(huán)半徑縮小到6米，管道半徑縮小到2.15米，參數(shù)降低為等離子體電流2200萬安培，燃燒時間7分鐘。2001年11月，為共同實施國際熱核聚變試驗反應堆，參加四方在加拿大召開了政府間第一次磋商會。2002年1月23日在東京召開了第二次政府間磋商會，討論了協(xié)議草案、選址程序、急需采購的設備及采購計劃，以及實施的過渡安排等，另外，還確定了國際熱核聚變試驗反應堆實施的法人實體。
到目前為止，法國和加拿大政府都已表示愿意把國際熱核聚變實驗反應堆建在自己國家。日本經(jīng)過幾年的考慮和討論，也決定力爭把國際熱核聚變實驗反應堆建在日本國內(nèi)，并且把北海道的苫小牧、青森縣的六所村和茨城縣的那珂町三處作為候選地點。日本甚至表示，如果裝置建在日本，日本愿意出70％的經(jīng)費?，F(xiàn)在的參加四方都希望美國能重新加入 I TER計劃。
歐共體、日本、加拿大、俄羅斯各參加方現(xiàn)在正醞釀共同實現(xiàn) I TER的建造，他們正在進行與廠址有關的技術設計工作。廠址和資金分配問題確定以后， I TER的建造就可以馬上確定，如果決定建造的話，開工時間為2006年。ITER的建造周期需要十年，預計可以運行二十年。
從現(xiàn)代托卡馬克裝置研究到 I TER的研制，是超常規(guī)的發(fā)展。如果成功，將可以使示范反應堆的建造提前，加快商業(yè)應用的步伐。但是，國際聚變界的一些專家，主要是一些美國學者，對這種所謂“畢其功于一役”的做法持有不同意見。一種反對意見認為，走 I TER這一大步的時機未到，因為有一些重要的物理和工程問題尚未解決，如偏濾器的排熱、大破裂的防御、密度極限、長脈沖 H－模的維持、中心區(qū)雜質(zhì)積累等等；另一意見認為， I TER會影響對更多對全局具有重要影響的物理和工程項目的安排，使這些項目的研究推遲，包括先進約束模式的實驗研究，等離子體控制工程的一些重大課題，防14MeV中子輻照材料研制以及聚變堆的最佳化設計的系列課題等。對于以上反對意見，占多數(shù)的建造支持者認為，以上問題中的大部分正是 I TER想要解決的問題，但解決的唯一方法是在全尺寸反應堆上進行實驗。如果改成先建造規(guī)模較小的、物理和工程目標較低的一個替代裝置（美國曾提出類似建議，被 I TER理事會拒絕），那將會把一些非常重要的課題滯留下來，例如在長脈沖條件下氘－氚燃燒的物理和相關工程問題，使下一代裝置的建造產(chǎn)生不確定性，其結果是推遲聚變能的應用時間。
實現(xiàn)核聚變和平利用無疑是人類將最終解決能源問題的希望。人類探索核聚變這種新能源的努力將會繼續(xù)下去，世界各國的總投入仍將上升，探索的步伐也將加快，這是人類面臨的共同的能源總體需求所確定的。今后幾十年內(nèi)，我們?nèi)绻鉀Q核聚變反應堆的物理工程問題，讓第一個核聚變反應堆發(fā)出的強大電能輸入電網(wǎng)，一個嶄新的和平利用核能的新世紀即可宣布開始了。
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