最近，由中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本、俄羅斯、韓國(guó)參加的國(guó)際熱核反應(yīng)堆合作計(jì)劃（ITER）再次引起了人們的興趣。這個(gè)被稱為 “人造太陽(yáng)”的熱核反應(yīng)堆，不僅因?yàn)?.3萬(wàn)億日元的巨大投資引起了人們極大的關(guān)注，更因?yàn)槿裟茉谖磥?0年內(nèi)開發(fā)成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類今后將擁有取之不盡、用之不竭的清潔能源。
直到19世紀(jì)末，隨放射性研究的開啟，人們才開始真正認(rèn)識(shí)太陽(yáng)的神秘面貌。萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，地球上所有生物的能源幾乎都來自于太陽(yáng)。人們也逐漸發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能源來自其內(nèi)部不斷的熱核聚變。隨熱核聚變的逐漸變?nèi)?，終有一天它也會(huì)消失在茫茫的宇宙中，變成一個(gè)黑洞或其他。
人類失去太陽(yáng)，世界將會(huì)怎樣？
人類的能源危機(jī)
事實(shí)上，人類所依存的這個(gè)世界，能源枯竭已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重問題。1973年以來，人類已經(jīng)向地球索取了5000億桶（約合800億噸）石油，按現(xiàn)在的開采速度算，剩下的石油只可保證44年需求，天然氣也只能持續(xù)開采56年。200年之內(nèi)，石油、煤、天然氣資源均面臨枯竭危險(xiǎn)。20世紀(jì)后半葉，核能利用出現(xiàn)熱潮，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。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以釋放巨大能量。且不說此類型的核裂變電站引發(fā)的核污染噩夢(mèng)與其創(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。
中科院唐文江曾經(jīng)指出，我們現(xiàn)今所使用的能源，有些直接來自太陽(yáng)，有些是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的能源；像水能、風(fēng)能、生物能，有些是早期由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化來的一直儲(chǔ)存在地球上的能源；像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類社會(huì)發(fā)展到今天，僅靠太陽(yáng)給予的可用能源已經(jīng)不夠用了。人類能源消耗快速增加，水能的開發(fā)幾近到達(dá)極限，風(fēng)能、太陽(yáng)能無法形成規(guī)模。我們今天主要使用的化石燃料，再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對(duì)大氣造成了污染，增加了溫室氣體效應(yīng)。要知道它們是太陽(yáng)和地球用了上億年才形成的，但只夠人類使用三四百年，且它們是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人類重要的自然資源，作為燃料燒掉是非?？上У?。人們無不擔(dān)心，煤和石油燒完了，其他能源又接替不上該怎么辦？能源危機(jī)開始困擾著人類，人們一直在尋找各種可能的未來能源，以維持人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。
當(dāng)人們抬頭望向太陽(yáng)的時(shí)候，熱核聚變給人們帶來了希望之光。人們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)利用氫的同位素氘和氚的原子核實(shí)現(xiàn)核聚變的熱核反應(yīng)堆。
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，在用自己創(chuàng)制的攝譜儀從事同位素研究時(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。幾乎同一時(shí)期，盧瑟福也提出，能量足夠大的輕核碰撞后，可能發(fā)生聚變反應(yīng)。1929年，英國(guó)的阿特金森和奧地利的奧特斯曼聯(lián)合撰文，證明氫原子聚變?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)出的能量來自組成太陽(yáng)的無數(shù)的氫原子核。在太陽(yáng)中心的超高溫和超高壓下，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，同時(shí)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)，那么在地球上同樣可以創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)具有不竭能量的人造太陽(yáng)。
人造太陽(yáng)的實(shí)驗(yàn)
科學(xué)家的設(shè)想在武器方面首先得到試驗(yàn)。在二戰(zhàn)后，美國(guó)和蘇聯(lián)都研制成功一種遠(yuǎn)比最初的原子彈厲害的摧毀性武器：氫彈。第一枚取名為“麥克”的氫彈于1952年11月l日在南太平洋的一個(gè)小島上爆炸。“麥克”是由一枚普通的鈾原子彈或者鈽彈同一定數(shù)量的液態(tài)氘和氚組成。為了保持氚的液態(tài)，氚被保存在零下200多攝氏度和180個(gè)大氣壓之下。氫彈里那個(gè)普通原子彈起的作用就像炸藥里的雷管，它保證使溫度達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度；在這個(gè)溫度下，重氫核組合在一起形成氦核。在一剎那間，“麥克”變成為一顆小型的、真實(shí)的人造太陽(yáng)，它的威力，是廣島的那顆原子彈威力的500倍。在后來的年代里，人們發(fā)展威力更大的氫彈，且采用新的制造方法。氫彈的威力當(dāng)然可怕，但它也給人類將來的能源需求帶來無限希望。
50年來，全世界共建造了上百個(gè)托卡馬克裝置，在改善磁場(chǎng)約束和等離子體加熱上下足功夫。托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”，像一個(gè)中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體。在上世紀(jì)70年代，人們對(duì)約束磁場(chǎng)研究有了重大進(jìn)展，通過改變約束磁場(chǎng)的分布和位形，解決了等離子體粒子的側(cè)向漂移問題。此后世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國(guó)、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個(gè)大型托卡馬克，即美國(guó)1982年在普林斯頓大學(xué)建成的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（TFTR）；歐洲1983年6月在英國(guó)建成更大裝置的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）；日本1985年建成JT-60；蘇聯(lián)1982年建成的超導(dǎo)磁體的T-15；它們后來在磁約束聚變研究中作出了決定性的貢獻(xiàn)。特別是歐洲的JET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氘、氚的聚變反應(yīng)。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了3億攝氏度，聚變能量約束時(shí)間達(dá)2秒。反應(yīng)持續(xù)1分鐘，產(chǎn)生了1018個(gè)聚變反應(yīng)中子，聚變反應(yīng)輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創(chuàng)造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新紀(jì)錄。這一輸出功率已達(dá)到當(dāng)時(shí)輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達(dá)1.25。
中國(guó)的核聚變研究也有較快發(fā)展，西南物理研究院1984年建成中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1），1995年建成中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)。中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所1995年建成超導(dǎo)裝置HT-7。HT-7是前蘇聯(lián)無償贈(zèng)送給中國(guó)的一套縱向超導(dǎo)的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)等離子體物理研究所的不斷改進(jìn)，它已成為一個(gè)龐大的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。特別是在2003年3月31日，實(shí)驗(yàn)取得了重大突破，獲得超過1分鐘的等離子體放電，這是繼法國(guó)之后第二個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級(jí)高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7的基礎(chǔ)上，等離子體物理研究所研制和設(shè)計(jì)了全超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7U（后來名字更改為EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak）。
EAST又稱“實(shí)驗(yàn)型先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克”，是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，受國(guó)際同行的矚目。后者普遍認(rèn)為，EAST可能成為世界上第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻第一壁結(jié)構(gòu)的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導(dǎo)和非圓截面特性，更有利于科學(xué)家探索等離子體穩(wěn)態(tài)先進(jìn)運(yùn)行模式，其工程建設(shè)和物理研究將為“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（ITER）的建設(shè)提供直接經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。
希望之光
2001年8月，日本和英國(guó)的科學(xué)家宣稱，開發(fā)出一種新方法，以至只需過去一半的能源就能引發(fā)核聚變反應(yīng)。研究人員采取的是分別進(jìn)行燃料壓縮和加熱的“高速點(diǎn)火”方式，用新開發(fā)的瞬間功率達(dá)10億兆瓦的激光裝置，成功把燃料等離子體加熱到1000萬(wàn)攝氏度。
2005年6月，在成都市雙流縣白家鎮(zhèn)，中國(guó)最早研究“人造太陽(yáng)”的科研機(jī)構(gòu)——核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所。所長(zhǎng)劉永宣布，中國(guó)的“人造太陽(yáng)”已經(jīng)基本成型了。
在聚變科學(xué)所的實(shí)驗(yàn)大樓里一個(gè)如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)般寬闊的房間，一個(gè)占據(jù)房間三分之二空間的龐然大物居中擺放著，物件整體呈橢圓形，圓形邊緣四周延伸出幾個(gè)三角形的“角”，從上往下俯看，整體如一枚巨大的五角星形狀。在本世紀(jì)內(nèi)，這顆中國(guó)太陽(yáng)將投入運(yùn)行。
科幻小說一般的場(chǎng)景，讓人們興奮不已。“但離真正的商業(yè)運(yùn)行還有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，預(yù)計(jì)可能還要50年。”核工業(yè)西南物理研究院科技委主任嚴(yán)建成說。比如ITER，盡管它已啟動(dòng)，但還只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，后面還要經(jīng)歷“示范堆階段”、“商業(yè)堆階段”才能說離應(yīng)用不遠(yuǎn)了，但每個(gè)階段的研究，都將經(jīng)過十多年。
確實(shí)，盡管ITER計(jì)劃采用最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，但綜合以往的經(jīng)驗(yàn)和成果，它的確還面臨重重挑戰(zhàn)。即使它能如期在2013年建成，這個(gè)10層樓高的龐大機(jī)器能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)也還是個(gè)未知數(shù)。諸如探索新的加熱方式與機(jī)制為實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火、改善等離子體的約束性能、反常輸運(yùn)與漲落現(xiàn)象研究等前沿課題，偏濾器的排灰、大破裂的防御、密度極限、長(zhǎng)脈沖H-模的維持、中心區(qū)雜質(zhì)積累等工程技術(shù)難關(guān)還有待于各國(guó)科技工作者群力攻關(guān)。即使對(duì)ITER的科學(xué)研究真的成功了，聚變發(fā)電站至少還要30年乣50年以后才能實(shí)現(xiàn)。
但希望之光必將成為燎原之火。在人造太陽(yáng)真正進(jìn)入生活前，人類還將為之努力不止。
聯(lián)系記者psyche@gfo.cn
| 
