人造“太陽”是世紀狂想嗎？

錫　士

人造“太陽”？！沒錯，的確是人造太陽。

2006年初，從合肥科學島獲悉，以探索無限而清潔的核聚變能源為目標的EAST超導托卡馬克（俗稱“人造太陽”）已經進入總裝的最后階段，預計將于今年三四月建成，七八月份正式進入放電運行實驗。據專家介紹，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。受控核聚變即使發生錯誤，劑量過大，反應堆也能夠自己很快地識別出來，結束反應，不會發生不可控的連鎖反應。即使反生可能想像出的最壞事故，周圍地區也不用疏散。

傳統能源面臨枯竭

地球上的傳統能源資源，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，隨著社會的發展和經濟的進步，對能源的利用正呈急劇上升趨勢。

現已探明，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世紀后半葉，核能利用出現熱潮，各種類型的核電站在世界范圍內得到了異常迅速的發展。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的核污染噩夢和它所創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數百年之用。

總之，人類必須解決日益面臨的能源危機。

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和推廣，試圖建設利用氫的同位素氚和氚的原子核實現核聚變的熱核反應堆。

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。據測，每1升海水中含30毫克氚，30毫克氚聚變產生的能量相當于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中幾乎不存在放射線污染，無需擔憂失控，不會發生爆炸，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難，而馴服核能，使核聚變在人為控制下為人類服務卻是件異常艱難的事。時至今日，人們越來越清醒地認識到，受控核聚變實現之日方是我們真正擺脫能源危機之時。

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。

斗轉星移，滄海桑田，直到19世紀末，放射性研究的開啟才真正將人類引領到太陽迷宮的門外，而核聚變的發現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家和物理學家阿斯頓，在用自已創制的攝譜儀從事同位數研究時發現，氦--4質量比組成氦的4個氫原子質量之和大約小1%左右。1929年，英國的阿特森和奧地利的奧特斯曼聯合撰文，證明氫原子有聚變為氦的可能性，并認為太陽那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應。

隨后的研究證實，太陽發出的能量來自組成太陽的無數的氫原子核。在太陽中心的超高壓下，這些氫原子核相互作用，發生核聚變，結合成較重的氦原子核，并釋放出巨大的光和熱。于是，科學家設想，如果實現人工控制下氫元素的核聚變反應即受控熱核反應，那么在地球上同樣創造出一個個具有不竭能量的“人造太陽。”

在地球上造太陽并非科學狂人的瘋狂之舉，早在1938年，人們就發現了發核聚變。然而，距1942年第一座核裂變反應堆建成已半個多世紀了，受控聚變還是遲遲沒有實現有益的能量輸出。

20世紀下半葉，聚變能的研究取得了重大的進展，而托卡馬克類型的磁約束研究更是一路領先，并成為世界上第一座熱核反應堆的設計基礎。

這個能將幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質——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“環形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞的組合，即環形磁真空室的縮寫。

曾因成功解釋切倫科夫輻射現象獲1958年諾貝爾物理學獎的蘇聯著名物理學家塔姆，早在20世紀50年初初，就提出了用環形強磁場約束高溫等離子體的設想。

他認為，把強電流產生的極向磁場相結合，可望實現高溫等離子體的磁約束。受這一思想的啟發，前蘇聯物理學家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環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形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室外代替陶瓷真空室，還改進了線圈的工藝，增加了匝數，改進了磁場位形，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形容器命名為托卡馬克。

具有奇特旋轉磁場位形的托卡馬克的出現，使受控核聚變研究取得了重大的進展。自20世紀70年代起，世界范圍內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，又建成了中國環流1號（HL-1）。2002年12月，中國環流器2號A，在成都核工業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家們宣布在地球上燃起人造太陽。

據全俄實驗物理科學研究所科技中心的負責人維克多·謝列米爾稱。該中心的一個試驗場通過磁爆技術制造出了地球磁場強2000萬倍的強磁場。他表示：“今后這種高強度磁場將幫助我們進行可操控熱核反應，而這種熱核反應將為我們提供無窮無盡的環保清潔能源?！?/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堆。為了點燃這顆人造太陽，就需要將預先加熱到數百萬度的等離子體在極短的時間內使用超強磁場進行壓縮，這個時間大約為數毫微秒（1毫微秒等于十億分之一秒）。”

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

但事情并非如此簡單。因為，輕元素原子核的聚合遠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燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚變反應按一定的規模連續或有節奏地進行。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，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。創造這樣苛刻的環境在技術上的難度就可想而知。

還有，超高溫的等離子體，有強烈地向外擴張的特性，必須有極強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“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，合肥科學島等離子體所歷時3年多建成中國第一臺超導體托卡馬克裝置——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的基礎上，開始建另一個更大型代號為EAST的新一代全超導非圓截面托卡馬克裝置。

據了解，作為HT-7的升級版，EAST能使等離子穩定運行的時間達到16分鐘以上，能獲得1億攝氏度以上的高溫，遠遠超出世界上現有最先進的托卡馬克裝置，是我國“九五”重大科學工程之一，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。