錫　士

人造“太陽”？！沒錯，的確是人造太陽。

2006年初，從合肥科學(xué)島獲悉，以探索無限而清潔的核聚變能源為目標(biāo)的EAST超導(dǎo)托卡馬克（俗稱“人造太陽”）已經(jīng)進(jìn)入總裝的最后階段，預(yù)計將于今年三四月建成，七八月份正式進(jìn)入放電運行實驗。據(jù)專家介紹，如屆時能成功按期完成放電實驗，合肥將成為世界上第一個建成此類全超導(dǎo)非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方。

通俗地講，所謂“人造太陽”，是指受控核聚變。受控核聚變即使發(fā)生錯誤，劑量過大，反應(yīng)堆也能夠自己很快地識別出來，結(jié)束反應(yīng)，不會發(fā)生不可控的連鎖反應(yīng)。即使反生可能想像出的最壞事故，周圍地區(qū)也不用疏散。

傳統(tǒng)能源面臨枯竭

地球上的傳統(tǒng)能源資源，其實根本就不是人們以前所想象的那樣取之不盡，用之不竭，而且，隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，對能源的利用正呈急劇上升趨勢。

現(xiàn)已探明，地球上石油資源總計約1019億桶，天然氣合計144萬億立方米，煤炭10316億噸，鈾436萬噸，而石油、天然氣、煤炭可供開采的時間都不超過450年。

盡管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，來釋放巨大能量的。且不說這種類型的裂變電站引發(fā)的核污染噩夢和它所創(chuàng)造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲量也僅夠維持?jǐn)?shù)百年之用。

總之，人類必須解決日益面臨的能源危機(jī)。

因此，人類不得不將索求能源的目光投向太陽，并將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實現(xiàn)和推廣，試圖建設(shè)利用氫的同位素氚和氚的原子核實現(xiàn)核聚變的熱核反應(yīng)堆。

熱核聚變所用的重要核燃料是氚。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氚量只需304千克。據(jù)測，每1升海水中含30毫克氚，30毫克氚聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油，就是說，1升海水約等于300升汽油。而地球上海水中有45萬億噸氚，足夠人類使用60億年。

更為可貴的是核聚變反應(yīng)中幾乎不存在放射線污染，無需擔(dān)憂失控，不會發(fā)生爆炸，是一種真正無限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。

其實，人類早已實現(xiàn)了氚氚核聚變——氫彈爆炸，但那種不可控制的瞬間能量釋放只會給人類帶來災(zāi)難，而馴服核能，使核聚變在人為控制下為人類服務(wù)卻是件異常艱難的事。時至今日，人們越來越清醒地認(rèn)識到，受控核聚變實現(xiàn)之日方是我們真正擺脫能源危機(jī)之時。

人造太陽之夢

太陽，高懸九天之上，溫暖而燦爛，其永恒放射的萬丈光芒自古便是人類祖先崇拜的圖騰。

斗轉(zhuǎn)星移，滄海桑田，直到19世紀(jì)末，放射性研究的開啟才真正將人類引領(lǐng)到太陽迷宮的門外，而核聚變的發(fā)現(xiàn)終于使人類喊出了那一聲響亮的“芝麻開門”。

最初，劍橋卡文迪許實驗室的英國化學(xué)家和物理學(xué)家阿斯頓，在用自已創(chuàng)制的攝譜儀從事同位數(shù)研究時發(fā)現(xiàn)，氦--4質(zhì)量比組成氦的4個氫原子質(zhì)量之和大約小1%左右。1929年，英國的阿特森和奧地利的奧特斯曼聯(lián)合撰文，證明氫原子有聚變?yōu)楹さ目赡苄?，并認(rèn)為太陽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，太陽發(fā)出的能量來自組成太陽的無數(shù)的氫原子核。在太陽中心的超高壓下，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，并釋放出巨大的光和熱。于是，科學(xué)家設(shè)想，如果實現(xiàn)人工控制下氫元素的核聚變反應(yīng)即受控?zé)岷朔磻?yīng)，那么在地球上同樣創(chuàng)造出一個個具有不竭能量的“人造太陽?！?/p>

在地球上造太陽并非科學(xué)狂人的瘋狂之舉，早在1938年，人們就發(fā)現(xiàn)了發(fā)核聚變。然而，距1942年第一座核裂變反應(yīng)堆建成已半個多世紀(jì)了，受控聚變還是遲遲沒有實現(xiàn)有益的能量輸出。

20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得了重大的進(jìn)展，而托卡馬克類型的磁約束研究更是一路領(lǐng)先，并成為世界上第一座熱核反應(yīng)堆的設(shè)計基礎(chǔ)。

這個能將幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)——人造太陽，置入其中的托卡馬克究間身為何物？

托卡馬克（TOKAMAK）在俄語中是“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞的組合，即環(huán)形磁真空室的縮寫。

曾因成功解釋切倫科夫輻射現(xiàn)象獲1958年諾貝爾物理學(xué)獎的蘇聯(lián)著名物理學(xué)家塔姆，早在20世紀(jì)50年初初，就提出了用環(huán)形強(qiáng)磁場約束高溫等離子體的設(shè)想。

他認(rèn)為，把強(qiáng)電流產(chǎn)生的極向磁場相結(jié)合，可望實現(xiàn)高溫等離子體的磁約束。受這一思想的啟發(fā)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環(huán)形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室外形成環(huán)形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室外代替陶瓷真空室，還改進(jìn)了線圈的工藝，增加了匝數(shù)，改進(jìn)了磁場位形，最后成功地建成了一個高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克。

具有奇特旋轉(zhuǎn)磁場位形的托卡馬克的出現(xiàn)，使受控核聚變研究取得了重大的進(jìn)展。自20世紀(jì)70年代起，世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美、歐、日、蘇建造了四個大型托馬克，中國科學(xué)院物理所繼第一臺小型托卡馬克CT-6于1975年制度運行后，1984年6月，又建成了中國環(huán)流1號（HL-1）。2002年12月，中國環(huán)流器2號A，在成都核工業(yè)西南物理研究院建成并投入運行。

目前，全世界有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。

路還很漫長

2004年新年來臨之際，俄羅斯薩羅夫邦核能中心的科學(xué)家們宣布在地球上燃起人造太陽。

據(jù)全俄實驗物理科學(xué)研究所科技中心的負(fù)責(zé)人維克多·謝列米爾稱。該中心的一個試驗場通過磁爆技術(shù)制造出了地球磁場強(qiáng)2000萬倍的強(qiáng)磁場。他表示：“今后這種高強(qiáng)度磁場將幫助我們進(jìn)行可操控?zé)岷朔磻?yīng)，而這種熱核反應(yīng)將為我們提供無窮無盡的環(huán)保清潔能源?！?/p>

謝列米爾解釋稱：“我們的人造太陽其實就是一個巨型的熱核反應(yīng)堆。為了點燃這顆人造太陽，就需要將預(yù)先加熱到數(shù)百萬度的等離子體在極短的時間內(nèi)使用超強(qiáng)磁場進(jìn)行壓縮，這個時間大約為數(shù)毫微秒（1毫微秒等于十億分之一秒）?！?/p>

在等離子體受壓轉(zhuǎn)化為熱能的同時，所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，而此時反應(yīng)堆中的等離子體溫度被加熱達(dá)1億度。據(jù)謝列米爾稱，目前科學(xué)家們在壓縮等離子體時所用時間只能達(dá)到5微秒（1微秒等于百萬分之一秒）。因此，科學(xué)家們寄希望于正在薩羅夫研制的新裝置來加速此壓縮進(jìn)程。

但事情并非如此簡單。因為，輕元素原子核的聚合遠(yuǎn)比重元素原子核的分裂困難多得。

都帶正電的原子核既彼此吸引又互相排斥，當(dāng)兩個原子核之間相距只有約萬億分之三毫米時，它們之間的吸引力才會大于靜電斥力，兩個原子核也才可能聚合到一起同時釋放出巨大的能量。而滿足這樣的條件需要的是幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫。

人類要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過程。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浚购司圩兎磻?yīng)按一定的規(guī)模連續(xù)或有節(jié)奏地進(jìn)行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一，而且對能量的約束也要有足夠長的時間。也就是說，我們無法簡單模擬太陽中心那樣高的等離子體密度和上億的溫度，只有追求比太陽中心更高的溫度來解決碰撞幾率問題。創(chuàng)造這樣苛刻的環(huán)境在技術(shù)上的難度就可想而知。

還有，超高溫的等離子體，有強(qiáng)烈地向外擴(kuò)張的特性，必須有極強(qiáng)的磁場來約束住它們，絕對不讓它們與四周容器壁接觸，試想，怎樣的材料才能裝進(jìn)“太陽”而不自身化為烏有？

這不啻是一個曠古難題。

從1990年開始，合肥科學(xué)島等離子體所歷時3年多建成中國第一臺超導(dǎo)體托卡馬克裝置——HT-7，使中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有同類實驗裝置的國家，實驗中最高溫度超過5000萬攝氏度。從2000年開始，專家們在HT-7的基礎(chǔ)上，開始建另一個更大型代號為EAST的新一代全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置。

據(jù)了解，作為HT-7的升級版，EAST能使等離子穩(wěn)定運行的時間達(dá)到16分鐘以上，能獲得1億攝氏度以上的高溫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界上現(xiàn)有最先進(jìn)的托卡馬克裝置，是我國“九五”重大科學(xué)工程之一，該工程總投資近3億元。

如果按期完成放電試驗，那EAST就是世界上第一個建成的非圓截面、全超導(dǎo)托卡馬克。然而中國的花費卻只到世界上同類裝置的1/15或1/20。