“人造太陽”要來了！

2017-12-29 00:00:00王詩堃

科學導報 2017年62期

兩個月前，中國科學家又創造了一個“世界紀錄”。未來，我們傳統的能源——煤、石油、天然氣等，可能都要靠邊站了。

兩個月前，中國科學院合肥物質科學研究院等離子物理研究所傳來捷報：我國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置首次實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行。

全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，這個名字念起來有點拗口又難以理解，不過它有一個好記的名字叫“東方超環（EAST）”，也有人通俗地叫它“人造太陽”——因為它的目標是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。

在這次核聚變實驗中，中國科研團隊在世界上首次實現了5000萬攝氏度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從60秒到百秒量級的跨越。

聚變優點：原料儲量豐富產物沒有放射性

如今，對于新能源，如太陽能、風能、水能、潮汐能、地熱能等，大家都不陌生，但一個不可否認的事實是，這些新能源從根本上來說，只是一種輔助能源，還無法取代煤、石油、天然氣等化石燃料的地位。

從20世紀50年代開始，核電登上世界能源舞臺，并展示出巨大的威力——只要燃燒極少的燃料就可獲得巨大的能量。不過，核電站是以原子核的裂變反應為基礎，產生的放射性廢物處理起來也比較困難，而且主要核燃料鈾的儲量相對來說并不豐富，開采和提煉也十分困難；而核裂變反應的原料之一——钚，在自然界中甚至無法找到，需要人工合成。此外，核電在人類發展史上發生的一些大事故，比如切爾諾貝利事故和福島核電站核泄漏事故，讓人們對核電站仍心有余悸。所以，雖然以核裂變為原理的原子能在技術上已無太多障礙，但在全球能源體系內，核裂變在“能源宮斗”中，遲遲無法上位。

相對核電的核裂變來說，人造太陽的核聚變是否也會有核輻射的隱患呢？

答案是聚變的產物沒有放射性。同時，由于聚變反應需要的條件比較高，一旦發生事故，造成反應的等離子體約束破裂，聚變反應便會終止。因此聚變燃料的保存運輸、聚變電站的運行都比較安全。

與核裂變比起來，核聚變還有一個天然的巨大優勢，它的原料儲量極其豐富。其主要燃料是存在于地球海水之中的氘（氫的同位素），而另一種原料氚（同樣是氫的同位素），可用中子轟擊鋰的方法制備；而科學家預想的聚變燃料之一“氦-3”，在月球上也有豐沛儲量。

關鍵裝置全超導托卡馬克：能約束上億攝氏度高溫等離子體

核聚變對于很多人來說似乎都有些陌生。但早在20世紀50年代初，人類就實現了核聚變反應——氫彈爆炸。其原理簡單來說，就是用一個裂變反應作雷管，通過原子彈爆炸制造出高溫高壓，從而“引爆”聚變反應，但這種瞬間的猛烈爆炸人類無法控制。因此，要把核聚變時產生的巨大能量為我們所用，必須要對劇烈的聚變核反應加以控制，所以，人類要做的就是——受控核聚變。

科學家想到的一種方法是，用粒子加速器來提高原子核速度，讓其碰撞。實驗證實，這種方法可以發生聚變反應，但是反應釋放出的能量遠小于加速原子核所消耗的能量，顯然，此種方法只能做科學實驗，無法提供能源。

另一種方法是提高核燃料的溫度，物質溫度越高，意味著其微觀粒子的無規則速度越大?？茖W家發現，聚變反應需要的高溫可達上億攝氏度。那么，問題就來了，上億攝氏度的高溫，什么樣的“爐子”才能承受呢？

其實，在這個溫度上，物質都處于等離子體態，也就是說，物質的原子核和核外電子是分離的，電子不再受某一特定的原子核束縛成為自由電子，而原子失去電子也成為帶正電的離子。換言之，等離子體中的粒子“帶電”了。

科學家就此想到了磁場，因為帶電粒子在磁場中會繞磁力線做回旋運動，可以利用通過在容器內建立磁場來約束等離子體，使其不與容器壁直接接觸。于是，科學家在螺線管中，讓帶電粒子沿封閉的磁力線做螺旋式運動，上億度高溫的等離子體就乖乖地被約束在這種環形的磁場中了。這種環形的磁場又叫“磁瓶”或“磁籠”，可把熾熱的等離子體“托舉”在空中。所以說，“東方超環”這次5000萬攝氏度高溫的表現，其實還有很大的成長空間。

對于這一過程，中國科學院等離子體物理研究所研究員、中國工程院院士李建剛是如此表述的——“磁約束聚變利用強磁場這一‘磁容器’來約束高溫等離子體，并進而將其加熱至上億度，從而維持連續的熱核反應，產生巨大能量?！?/p>

而這也就是“東方超環”——“托卡馬克”裝置的原理：該詞轉寫自俄語單詞Tokamak，是來源于環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）的生造詞。