聚變能：通向“人造太陽”之路

　　參與“人造太陽”計劃，是中國目前投入最大的國際大科學1-程，也是中國有史以來首次以平等伙伴身份參加的規模最大的國際科技合作項目。
　　
　　人類迫切需要一個“人造太陽”來提供源源不斷的清潔能源。據1998年世界能源委員會公布的統計數據，按照1998年世界能源消耗量計算，已探明的可用儲量：石油可用約50年；天然氣可用約70年；煤炭可用約200年；天然鈾可用約60年；如果把全部資源納入考慮，大約也只能用200～300年，人類社會將面臨一次能源枯竭的嚴重危機。
　　與此同時，無論化石燃料還是寶貴的化工原料，如果僅用來做燃料，將其消耗殆盡的同時，也必然會對環境造成相當嚴重的破壞和污染。這不僅是自然資源的不合理的使用，而且對人類社會的可持續發展造成了嚴重的威脅，為此付出的代價無法估量。因此。全球必須進行并盡快完成戰略新能源的開發研究，對中國而言尤其如此，中國將比任何其他國家更快面臨嚴重的能源短缺和環境污染問題，中國的能源問題既是中國的問題也是世界的問題。
　　
　　新能源：聚變能的研究
　　
　　新能源有各種各樣，聚變能是其中之一。太陽的能量來自輕核聚變反應，太陽每秒將6.57億噸氫聚變成氦，虧損的質量轉化成巨大的太陽能，成為支持太陽系統內一切活動的能量源泉。研究了太陽內部的聚變反應后，人類設想可以通過人工控制氘—氚聚變反應產生聚變能。聚變能的優勢很多，首先是能量巨大，一升海水中含有30毫克的氘，通過聚變反應可釋放出的能量相當于300多升汽油的能量；其次能量安全，聚變的反應產物是非放射性的。聚變燃料是按一定速度和數量加入的，所以任何時候在反應室內的聚變燃料都不多，在進行核聚變反應時，即使失控也不會產生嚴重事故。聚變能的能量消耗對環境的破壞微乎其微，由于聚變反應不產生二氧化碳和二氧化硫等有害氣體，也不會像核裂變那樣產生大量裂變產物，特別是半衰期長的錒系元素，它的反應產物只是非放射性的惰性氣體氦，所產生的放射性物質只是可能泄漏的微量氚和半衰期很短的活化材料。顯然，聚變能是人類可持續發展的清潔安全而又資源無限的新能源。
　　然而，在地球上實現持續的可控輕核聚變反應，條件要求相當苛刻，對目前的科學技術基礎具有很大的挑戰性。目前，人類實現受控熱核聚變主要有兩種途徑——磁約束和慣性約束。由于慣性約束更多地與軍事相關，所以保密性較強，而磁約束聚變研究則屬于相對公開的領域。認識聚變能，還要從磁約束聚變研究的起源開始談起。
　　早在第二次世界大戰期間，美國在研制原子彈的時候，就已經開始關注受控熱核聚變反應的可能性。第二次世界大戰末期，美國、英國和蘇聯從軍事上考慮，一直在互相保密的情況下開展可控核聚變的研究。針對聚變反應的反應物——高溫等離子體的約束，大家不約而同地想到了使用磁場，即通過強大的磁場形成一個封閉的環繞型磁力線，讓等離子體沿磁力線運行。
　　等離子體具有這樣一個性質——磁場不可穿過其內部，只可以沿著等離子體的邊沿繞行，這樣就可以使用磁場將等離子體約束起來，利用運動電荷在磁場中作圓周運動的規律，使核聚變物質與容器隔離。但是在研究和實驗過程中人們很快就發現這種約束方式要比預想的困難得多，主要的障礙是等離子體的宏觀不穩定性。這個困難難倒了大群的科學家，他們的研究也因此止步不前。
　　1958年出現了轉機。為了共同解決遇到的難題，在日內瓦召開的第二屆和平利用原子能國際會議上，各國有關聚變研究的情況完全公開。在該次會議中，除了蘇、美、英三國以外，德、法、瑞典、日本等國家也都有這方面的報告提出，在證實各個國家研究能力的同時，聚變研究成為會議的中心議題，得到全世界的關注和討論。值得一提的是，聚變研究的領頭羊——蘇聯還在會上宣布建成在當時規模巨大的磁鏡裝置奧格拉(OrPA)，這是當時最為先進的聚變裝置，得到大會的高度評價。會議之后的數年，聚變研究有了飛速發展，大量有關文獻在期刊和會議錄上相繼涌現，聚變研究的重點也轉向了高溫等離子體物理的一些基礎課題。
　　
　　托卡馬克突出重圍
　　
　　經過了1958年的解禁之后，各國都開始了公開的研究與討論。但是通過各種各樣的研究模式和方法上的努力，還是難以達到參數要求，距離建成實驗堆仍有非常遠的距離，全世界對聚變能的未來充滿了悲觀情緒。在實驗研究上，為了克服等離子體宏觀不穩定性問題的干擾，科學家設計并研發了各種各樣的實驗裝置，其中以箍縮裝置、磁鏡、仿星器和托卡馬克(Tokamak)為主要研究裝置。
　　托卡馬克裝置最初是由蘇聯莫斯科庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在1954年發明的，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字來源于環形(torordal)、真空室(komera)、磁(magmt)、線圈(kotushka)，中文大意是環形磁籠真空放電器，也有個很貼切但沒有推廣的中文名“環流器”。這個裝置的出現，影響了整個世界的聚變研究方向。
　　1968年，又一次出現了曙光。這一年在蘇聯召開的第三屆核聚變國際會議上，來自蘇聯的阿奇莫維奇院士展示了托卡馬克裝置(T－3)的實驗結果：T－3利用強縱場在克服等離子體的宏觀不穩定性上取得了突破性的進展，等離子體的各項參數有很大提高。這個結果令人鼓舞和興奮，然而西方的科學家并不相信蘇聯人測定的參數結果。于是1969年由英國卡拉姆實驗室主任皮斯派出一個專家小組，帶了自己的湯姆遜散射儀去測量，最終測量的結果證明了T－3的可靠性。
　　此后，托卡馬克從眾多實驗裝置中脫穎而出，在全世界掀起一股托卡馬克熱。這種熱潮使得在20世紀80年代初，世界上就建造了4個接近聚變堆的大型托卡馬克，每個裝置的投資都是上億美金。這4個裝置分別是美國醬林斯頓大學等離子體物理研究所(PPPL)的TFTR、歐洲卡拉姆的JET、日本原子能研究所的JT-60和蘇聯庫爾恰托夫原子能所的T-15超導托卡馬克。
　　
　　中國磁約束聚變研究
　　
　　一般認為，中國1958年真正開始進行聚變研究，與第二屆日內瓦和平利用原子能國際會議是同一年。當時中國的聚變研究主要在二機部系統和科學院中開展。早期在錢三強的帶領下，二機部系統建造一系列的小型聚變裝置。同時，科學院的一些研究所，如物理所、電工所、力學所以及西安光機所等，包括水利水電部下屬的電力科學研究院，都開展了聚變方面的理論或是實驗研究。另外，高等院校也扮演了重要的角色。包括北京大學、復旦大學、上海交通大學、華東師范大學、上海師范學院等在內的高校對中國聚變研究的理論、文獻和人才培養也做出了巨大貢獻。
　　文革前夕，中國聚變研究的布局已經發生了很大變化。由于國民經濟的困難，以及國家三線建設的決策和需要，很多單位的研究工作，特別是實驗研究紛紛停車或下馬。文革以后，中國的聚變研究盡管遭遇多方困難，但依舊緊隨世界腳步，持續發展。受到國際聚變研究的影響，中國也把研究力量放在托卡馬克裝置上，各個研究機構包括高等院校都開始研究并建成了自己的一系列托卡馬克聚變裝置。其中中科院物理所、合肥等離子體物理研究所，核工業西南物理研究院成為中國主要的聚變研究陣地。
　　中科院物理所的CT-6是我國第一臺托卡馬克裝置，CT是中國托卡馬克之意(China Tokamak的第一個字母組合)，之后又建成了升級版CT-6B。在當時的經濟社會條件下，建成這樣的兩個裝置所遇到的困難是難以想象的。
　　中國科學院合肥聚變站(即現在的合肥等離子體物理研究所)成立之后的1975年，在接受了中科院物理所贈送的真空室之后建成了一臺空心變壓器的托卡馬克，稱為HT-6，HT是合肥托卡馬克之意(HelmTokamak的首字母組合)，后來又建造了兩個托卡馬克裝置分別是HT-6B和HT-6M。隨著裝置的不斷進步，合肥等離子體物理研究所成為了中國聚變研究的重鎮。1994年是合肥所發展的關鍵之年，這一年合肥等離子體物理研究所建成了中國第一臺超導托卡馬克裝置HT-7。
　　關于HT－7裝置，還有一段有趣的故事。
　　1990年，時任國際熱核聚變理事會中國理事的李整武先生將蘇聯理事Kadomtsev的一封信轉交給了合肥等離子體物理所的霍裕平所長，信中建議將蘇聯的一個用于工程研究的超導托卡馬克裝置T-7轉讓給合肥所。但這個裝置原先設計是工程研究用的，磁體結構非常緊湊，并不適宜于實驗研究。當時等離子體物理所的研究經費也非常困難。但所里下了破釜沉舟的決心，通過向銀行貸款，用800萬人民幣和一些286微機換回這臺蘇聯人認為不可能做物理實驗的裝置。拆運回國之后，合肥所研究人員在外國專家的幫助下進行了磁體系統的改造又加進了自己的最新設計，通過全所研究人員的勤奮鉆研，刻苦努力，終于在1994年12月28日將該裝置成功地改造成世界第二大超導托卡馬克HT-7，成為了繼俄、法、日之后的第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家，引起了全世界的矚目。在HT-7成功運行和物理實驗取得重大進展的基礎上，經過反復論證，更為先進的大型超導托卡馬克裝置的建造列入了研究計劃，當時稱為HT-7U，后來改稱EAST(Experimental AdvancedSuperconducting'Tokamak“先進超導托卡馬克實驗裝置”的縮寫)。EAST系統于2006年初建成并順利進行了首輪工程調試，并成功地實現了物理運行。EAST與國外同類裝置相比，項目使用資金最少、建設速度最快并在建成后的極短時間內就取得了重大實驗進展，因而受到國際聚變界的高度評價。
　　中國聚變研究的另外一個重要基地，是核工業西南物理研究院。該院第一個托卡馬克裝置是中國環流器一號裝置HL-1(HL是漢語拼音“HuanLiu”的簡寫)，隨后改進發展為中國環流器新一號裝置(HL-1M)。后來，由于單位體制發生了改變，西南物理研究院在聚變研究的道路上遇到了很大的困難，當時很多人認為已經無法再建造新的裝置，在此情況下，西南物理研究Ngk1988年就與德方接洽，希望德國的ASDEX裝置退役后能轉讓給該院，以接替HL-1M。然而裝置引進的過程并不順利。最初德國人想把裝置轉讓給巴西人，但最終得益于中國經濟的快速發展和當時極其良好的中德關系，在德國總理施羅德訪華后通過政治和外交關系敲定將裝置送給中國?？梢韵胂笕绻麚Q作現在的德國總理默克爾，這樣的交易結果就是未知數，從這次交易中也可以看出國家政治與科學技術發展之間微妙的關系。1997年，西南物理研究院派出工程人員將ASDEX裝置完好地拆運回國，但由于當時裝置建造尚未獲立項，所以這些零件都堆在臨時倉庫里。直到1999年立項獲得批準，中國環流器二號A裝置(HL-2A)才作為另一項大科學工程正式動工。2002年12月3日，HL-2A在成都白家新基地投入運行。這是中德合作建造的裝置，由于應用了新技術，安裝了新設備，使該裝置在國際聚變研究中占有重要地位。
　　中國的聚變研究一直是跟隨著國際的腳步摸索前進，特別是容易受到美國的影響。進入90年代后期，美國的聚變研究受到了前所未有的沖擊和冷落，美國國會大幅削減磁約束聚變研究經費。受此影響，中國的聚變研究也面臨重重危機，特別是一些有名望的華人科學家在看到美國的聚變研究計劃出現困難后，便建議中國政府跟隨美國步伐放棄或減少對聚變研究的支持，由此，缺少了國家大力支持的中國聚變研究面臨生死考驗，導致當時的聚變科研隊伍大幅度萎縮，其中中國科學院物理研究所、北京大學、復旦大學等機構的聚變研究全部中斷，到目前為止，只有北京大學逐步恢復中斷的研究。
　　
　　ITER計劃與“人造太陽”
　　
　　ITER(International ThermonuclearExperimental Reactor)的全稱是國際熱核聚變實驗反應堆。“ITEIL”在拉丁文中意為“道路”，ITEK也意味著人類和平利用核聚變能源之路。由于核聚變研究是一項耗資巨大、研究周期相當長的大科學研究項目，人們認識到只有開展廣泛的國際合作，才能達到實現核聚變能利用的目標。ITER計劃便應運而生。
　　從1987年美、蘇、歐、日四方進行ITER設計到現在，20多年已經過去，ITER計劃由最初4方國際合作，發展到現在包括美國、日本、歐盟、中國、俄羅斯、韓國和印度在內的7方合作，是目前世界上繼國際空間站之后最大型的國際大科學合作計劃。ITER項目預計持續30年，前10年用于建設，后20年用于操作實驗。這一項目總花費預計約為100億美元，歐盟承擔50％的費用，其余6方分別承擔10％，超出預計總花費10％的費用將用于支付建設過程中由于物價等因素造成的預算超支。此外，參與各國完全平等地享有項目的所有科研成果和知識產權。
　　ITER將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，第一次在地球上實現能與未來實用聚變堆規模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的許多物理和工程問題。這是人類受控熱核聚變研究走向實用過程中的必不可少的一步，因此受到各國政府及科技界的高度重視和支持。
　　中國在加入ITER計劃過程中，經歷了一場科學大論戰，主要焦點是聚變堆的科學可行性和工程技術可行性問題。很多科學家提出異議，主要是因為，他們不希望國家把研究經費投放到在他們看來有限的時期內不可能實現的任務目標中。經過激烈的爭辯，最終國家決定要加入ITEIk國際合作計劃，并于2006年11月21日在法國巴黎正式簽署合作協議，于2007年正式由全國人大審議通過。這是迄今中國投入最大的國際大科學工程，也是我國有史以來有機會、有能力、以平等伙伴身份參加的規模最大的國際科技合作項目。按預期，該計劃將于2016年左右建成聚變堆，2030年左右完成實驗運行。如果順利，21世紀中葉后便可實現商業化能源供給。參與該計劃研究工作的包括中國科學院等離子體物理研究所、核工業西南物理研究院等中國研究機構，赫赫有名的EAST裝置和HL-2A裝置等將為我國在參與ITER計劃科學技術研究方面提供基礎和有效保障。
　　“ITER是我們這個時代最偉大的科學探索，世界人民攜手成立的全新的合作模式。ITER需要中國政府的支持，需要中國杰出科學家的思想。此時，中國國際核聚變能源計劃執行中心的成立，是ITER邁向成功的重要一步?！?008年10月10日，中國科技部宣布成立中國國際核聚變能源計劃執行中心，應邀出席掛牌儀式的國際熱核聚變實驗堆(ITER)國際組織總干事池田要發表了這樣的演說。
　　執行中心主任程津培院士在介紹中國參加ITEK計劃的進展情況時表示，在中國出資ITER建設總額10％的金額中，80％以實物方式投入，主要是磁體，20％以現金方式投入，但中國將享有全部知識產權，即獲得100％收益。執行中心將積極組織參與ITEK計劃相關活動和ITER組織管理，保障我國作為ITER計劃平等伙伴的各項權益，履行我國參加ITEK計劃的承諾和義務。
　　ITEIk計劃因能源問題而誕生，為未來的“人造太陽”而努力。能源問題事關人類社會的未來，中國和世界都有責任承擔相應的義務，也都在為未來能源的開發與應用出謀劃策，交流合作，聚變能的開發應用只是其中一例。盡管通往“人造太陽”的道路上困難重重，但所有的聚變工作者都已做好了準備，無論路途多么坎坷，多么波折，也要堅持探索，堅持實踐，不斷取得進步。我們期望有一天“人造太陽”給人類社會帶來福