人造太陽——擋不住的誘惑

笑熬漿糊糊 2011-06-05

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撰文：唐云江
萬物生長靠太陽，人類生存自然也離不開太陽。我們生火煮飯的柴草來自太陽，水力發(fā)電來自太陽，汽車?yán)锶紵钠蛠碜蕴?#8230;…實際上，迄今為止，除了核能以外，我們使用的所有能源幾乎都來自太陽。太陽像所有的恒星一樣進(jìn)行著簡單的熱核聚變，向外無休止地輻射著能量。
我們現(xiàn)今所使用的能源，有些直接來自太陽，有些是太陽能轉(zhuǎn)化的能源，像水能、風(fēng)能、生物能，有些是早期由太陽能轉(zhuǎn)化來的一直儲存在地球上的能源，像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類社會發(fā)展到今天，僅靠太陽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、太陽能無法形成規(guī)模。我們今天使用的主要能源是化石燃料，再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對大氣造成了污染，增加了溫室氣體。要知道它們是太陽和地球用了上億年才形成的，但只夠人類使用三四百年，而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，作為燃料燒掉是非常可惜的。人們無不擔(dān)心，煤和石油燒完了，而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，以維持人類社會的持續(xù)發(fā)展。
造一個太陽

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細(xì)心的人會發(fā)現(xiàn)，在元素周期表中，雖然元素是由質(zhì)子和中子成對增加依次構(gòu)成的，但是原子的重量卻不是按質(zhì)子和中子的增加而等量增加的。在較輕的原子中，質(zhì)子和中子的重量偏重，如果兩個輕的原子合成一個重原子，兩個輕原子的原子量之和往往重于合成的重原子。同樣，在較重的原子中，質(zhì)子和中子的重量也偏重，一個重原子分裂為兩個輕原子，重原子的原子量一般重于兩個輕原子之和。只是在鐵元素附近的原子中，質(zhì)子和中子的重量偏輕。由此可見，在原子核反應(yīng)中，質(zhì)量是不守恒的，即出現(xiàn)了所謂的質(zhì)量虧損。這些質(zhì)量到哪里去了呢？按照愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式E=mc2，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量，由于c2是個巨大的系數(shù)，很小的質(zhì)量就可釋放出巨大的能量?？茖W(xué)家正是基于這一點，利用重金屬的核裂變制造出了原子彈，利用輕元素的核聚變制造出了氫彈。
原子彈和氫彈的巨大威力令人懼怕，同時也讓人們興奮，因為原子中蘊(yùn)藏的能量太大了，能否利用這種能源是人們自然想到的問題。原子彈和氫彈中的巨大能量是在瞬間釋放出來的，而要作為常規(guī)能源使用，就必須實現(xiàn)可控制的核裂變和核聚變。對于核裂變來說，控制起來相對比較容易，裂變核電站早已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行。但能用來產(chǎn)生核裂變的鈾235等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規(guī)裂變反應(yīng)堆會產(chǎn)生長壽命的放射性較強(qiáng)的核廢料，這些因素限制了裂變能的發(fā)展。
對人們來說，最具誘惑力的自然是核聚變，它的單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量比核裂變還要大幾倍。實際上，宇宙中最常見的就是氫元素的聚變反應(yīng)，所有的恒星幾乎都在燃燒著氫，因為氫是宇宙中最豐富的元素。氫的聚變反映在太陽上(還有少量其他核聚變)已經(jīng)持續(xù)了近50億年，至少還可以再燃燒50億年。氫在地球上也是非常豐富的，每個水分子中都有2個氫原子，但最容易實現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素—氘與氚的聚變(氫彈就是這種形式的聚變)。氘和氚發(fā)生聚變后，2個原子核結(jié)合成1個氦原子核，并放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。就氘來說，它是海水中重水(水分子為H2O，重水為D2O，只占海水中的一小部分)的組成元素，海水中大約每6500個氫原子中有1個氘原子。每升水約含30毫克氘(產(chǎn)生的聚變能量相當(dāng)于300升汽油)，其儲量就多達(dá)40萬億噸。一座1000兆瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304公斤，海水中的氘足夠人類使用上百億年，這就比太陽的壽命還要長了，更不要說再使用氫了。另外，除氚具有放射性危險之外，氘-氚聚變反應(yīng)不產(chǎn)生長壽命的強(qiáng)放射性核廢料，其少量放射性廢料也很快失去放射性。氘-氘反應(yīng)沒有任何放射性。可以說氫及其同位素的聚變反應(yīng)是一種高效清潔的能源，而且真正是用之不絕。既然恒星上都在進(jìn)行著這樣的核聚變，地球上也不缺這種核聚變的原料，只要實現(xiàn)可控的核聚變，就可以造出一個供人們永久使用的“太陽”。實際上，自從人們揭開太陽燃燒的秘密以來，就一直希望模仿太陽在地球上實現(xiàn)核聚變從而為人類提供無盡的能源。盡管50多年過去了，人們只見到了氫彈的爆炸，而沒有看到一座核聚變發(fā)電站的出現(xiàn)，但它誘人的前景依然是人們心中一個割舍不去的夢。
比想象的要難

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在太陽上由于引力巨大，氫的聚變可以自然地發(fā)生，但在地球上的自然條件下卻無法實現(xiàn)自發(fā)的持續(xù)核聚變。在氫彈中，爆發(fā)是在瞬間發(fā)生并完成的，可以用一個原子彈提供高溫和高壓，引發(fā)核聚變，但在反應(yīng)堆里，不宜采用這種方式，否則反應(yīng)會難以控制。
根據(jù)核聚變發(fā)生的機(jī)理，要實現(xiàn)可控制的核聚變實際上比造個太陽要難多了。我們知道，所有原子核都帶正電，兩個原子核要聚到一起，必須克服靜電斥力。兩個核之間靠得越近，靜電產(chǎn)生的斥力就越大，只有當(dāng)它們之間互相接近的距離達(dá)到大約萬億分之三毫米時，核力(強(qiáng)作用力)才會伸出強(qiáng)有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。要使它們聯(lián)起手來并不難，難的是既要讓它們有拉手的機(jī)會又不能讓他們過于頻繁地拉手。要使它們有機(jī)會拉手，就要使粒子間有足夠的高速碰撞的機(jī)會，這可以增加原子核的密度和運(yùn)動速度。但增加原子核的密度是有限制的，否則一旦反應(yīng)加速，自身放出的能量會使反應(yīng)瞬間爆發(fā)。據(jù)計算，在維持一定的密度下，粒子的溫度要達(dá)到1～2億度才行，這要比太陽上的溫度(中心溫度1500萬度，表面也有6000度)還要高許多。但這樣高的溫度拿什么容器來裝它們呢？
這個問題并沒有難倒科學(xué)家，20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)，于1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克(tokamak)。托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。我們知道，一般物質(zhì)到達(dá)10萬度時，原子中的電子就脫離了原子核的束縛，形成等離子體。等離子體是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的氣體，整體是電中性的。在磁場中，它們的每個粒子都是顯電性的，帶電粒子會沿磁力線做螺旋式運(yùn)動，所以等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場中。這種環(huán)形的磁場又叫磁瓶或磁籠，看不見，摸不著，也不接觸有形的物體，因而也就不怕什么高溫了，它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。

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人們本來設(shè)想，有了“面包爐”，只需把氘、氚放入爐內(nèi)加火烤制，把握好火候，能量就應(yīng)該流出來。其實不然，人們接著遇到的麻煩是，在加熱等離子體的過程中能量耗散嚴(yán)重，溫度越高，耗散越大。一方面，高溫下粒子的碰撞使等離子體的粒子會一步一步地橫越磁力線，攜帶能量逃逸；另一方面，高溫下的電磁輻射也要帶走能量。這樣，要想把氘、氚等離子體加熱到所需的溫度，不是件容易的事。另外，磁場和等離子體之間的邊界會逐漸模糊，等離子體會從磁籠里鉆出去，而且當(dāng)約束等離子體的磁場一旦出現(xiàn)變形，就會變得極不穩(wěn)定，造成磁籠斷開或等離子體碰到聚變反應(yīng)室的內(nèi)壁上。

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步步逼近托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場(環(huán)向場)線圈，產(chǎn)生環(huán)向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也產(chǎn)生垂直場，形成環(huán)向高電壓，激發(fā)等離子體，同時加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。
幾十年來，人們一直在研究和改進(jìn)磁場的形態(tài)和性質(zhì)，以達(dá)到長時間的等離子體的穩(wěn)定約束；還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達(dá)到聚變所要求的溫度；在此基礎(chǔ)上，還要解決維持運(yùn)轉(zhuǎn)所耗費的能量大于輸出能量的問題。每一次等離子體放電時間的延長，人們都為之興奮；每一次溫度的提高，人們都為之歡呼；每一次輸出能量的提高，都意味著我們離聚變能的應(yīng)用更近了一步。盡管取得了很大進(jìn)步，但障礙還是沒有克服。到目前為止，托卡馬克裝置都是脈沖式的，等離子體約束時間很短，大多以毫秒計算，個別可達(dá)到分鐘級，還沒有一臺托卡馬克裝置實現(xiàn)長時間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而且在能量輸出上也沒有做到不賠本運(yùn)轉(zhuǎn)。
為了維持強(qiáng)大的約束磁場，電流的強(qiáng)度非常大，時間長了，線圈就要發(fā)熱。從這個角度來說，常規(guī)托卡馬克裝置不可能長時間運(yùn)轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，人們把最新的超導(dǎo)技術(shù)引入到托卡馬克裝置中，也許這是解決托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的有效手段之一。目前，法國、日本、俄羅斯和中國共有4個超導(dǎo)的托卡馬克裝置在運(yùn)行，它們都只有縱向場線圈采用超導(dǎo)技術(shù)，屬于部分超導(dǎo)。其中法國的超導(dǎo)托卡馬克Tore-Supra體積較大，它是世界上第一個真正實現(xiàn)高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的裝置，在放電時間長達(dá)120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。中國和韓國正在建造全超導(dǎo)的托卡馬克裝置，目標(biāo)是實現(xiàn)托卡馬克更長時間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
50年來，全世界共建造了上百個托卡馬克裝置，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足了功夫。在上世紀(jì)70年代，人們對約束磁場研究有了重大進(jìn)展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側(cè)向漂移問題。世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學(xué)建成的托卡馬克聚變實驗反應(yīng)堆(TFTR)，歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)，日本1985年建成的JT-60，蘇聯(lián)1982年建成超導(dǎo)磁體的T-15，它們后來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻(xiàn)。特別是歐洲的JET已經(jīng)實現(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攝氏3億度，聚變能量約束時間達(dá)2秒。反應(yīng)持續(xù)1分鐘，產(chǎn)生了1018個聚變反應(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12.9兆瓦的新記錄。這一輸出功率已達(dá)到當(dāng)時輸入功率的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。
中國的核聚變研究也有較快的發(fā)展，西南物理研究院1984年建成中國環(huán)流器一號(HL-1)，1995年建成中國環(huán)流器新一號。中國科學(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)無償贈送給中國的一套縱向超導(dǎo)的托卡馬克實驗裝置，經(jīng)等離子體物理研究所的不斷改進(jìn)，它已成為一個寵大的實驗系統(tǒng)。它包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統(tǒng)、大型計算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)、全國規(guī)模最大的低溫氦制冷系統(tǒng)、兆瓦級低雜波電流驅(qū)動和射頻波加熱系統(tǒng)以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測量系統(tǒng)。在十幾次實驗中，取得若干具有國際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，實驗取得了重大突破，獲得超過1分鐘的等離子體放電，這是繼法國之后第二個能產(chǎn)生分鐘量級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)。

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EAST或者稱“實驗型先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克”，是一臺全超導(dǎo)托卡馬克裝置，受到國際同行的矚目。國際專家普遍認(rèn)為，EAST可能將成為世界上第一個可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、具有全超導(dǎo)磁體和主動冷卻第一壁結(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“國際熱核聚變實驗堆”(ITER)的建設(shè)提供直接經(jīng)驗和基礎(chǔ)。
為了達(dá)到聚變所要求的條件，托卡馬克已經(jīng)變?yōu)橐粋€高度復(fù)雜的裝置，十八般武藝全用上了，其中有超大電流、超強(qiáng)磁場、超高溫、超低溫等極限環(huán)境，對工藝和材料也提出了極高的要求，從堆芯上億度的高溫到線圈中零下269度的低溫，就可見一斑。
合作之路從上個世紀(jì)50年代初，美國和蘇聯(lián)分別開始秘密地研究可控的核聚變，因為核聚變反應(yīng)堆不僅可以獲取用之不絕的能源，還可以用作穩(wěn)定的中子源，例如可用來生產(chǎn)核裂變原料。但理論研究和實驗技術(shù)上遇到一個又一個難以逾越的障礙，不久獨立進(jìn)行研究的各國就認(rèn)識到這件事并不容易，只有開展廣泛的國際合作才是加速實現(xiàn)核聚變能利用的可行之路。隨后逐漸相互公開研究資料和進(jìn)展，開始了合作之路。即使在冷戰(zhàn)時期，其他核技術(shù)都是相互保密的，惟獨熱核聚變技術(shù)是相互公開的。
1985年，美國總統(tǒng)里根和蘇聯(lián)總統(tǒng)戈爾巴喬夫，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃，要求“在核聚變能方面進(jìn)行最廣泛的、切實可行的國際合作”。戈爾巴喬夫、里根和法國總統(tǒng)密特朗后來又進(jìn)行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機(jī)構(gòu)主持下，進(jìn)行國際熱核實驗反應(yīng)堆，即ITER的概念設(shè)計和輔助研究開發(fā)方面的合作。

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1987年春，國際原子能機(jī)構(gòu)總干事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、蘇聯(lián)的代表在維也納開會，討論加強(qiáng)核聚變研究的國際合作問題，并達(dá)成協(xié)議，四方合作設(shè)計建造國際熱核實驗堆，并由此誕生了第一個國際熱核實驗堆的概念設(shè)計計劃。計劃將于2010年建成一個實驗堆，預(yù)期產(chǎn)生熱功率1500兆瓦、等離子體電流2400萬安培，燃燒時間可達(dá)16分鐘。
隨后，由于蘇聯(lián)的解體，計劃受到很大影響，1999年美國的退出使ITER計劃雪上加霜。日本和歐共體國家于是成為支持國際磁約束聚變研究計劃的主體力量。經(jīng)過多年的努力，ITER工程設(shè)計修改方案也終于在2001年6月圓滿完成。
根據(jù)計劃，首座熱核反應(yīng)堆總造價為約40億歐元。聚變功率至少達(dá)到500兆瓦。等離子體的最大半徑6米，最小半徑2米，等離子體電流1500萬安培，約束時間至少維持400秒。未來發(fā)展計劃包括一座原型聚變堆在2025年前投入運(yùn)行，一座示范聚變堆在2040年前投入運(yùn)行。
2003年2月18日，美國宣布重新加入這一大型國際計劃，中國也于前一個月正式加入該項計劃的前期談判。19日，國際熱核實驗反應(yīng)堆計劃參與各方在俄羅斯圣彼得堡決定，將于2013年前在日本、西班牙、法國和加拿大四國中的一個國家中建成世界上第一座熱核反應(yīng)堆。
2003年12月20日在華盛頓召開的一次非常熱鬧的會議上出現(xiàn)了兩軍對壘的形勢：歐盟、中國和俄羅斯主張把反應(yīng)堆建在法國的卡達(dá)拉齊（Cadarache），而美國、南朝鮮和日本則主張建在日本的六所村。因為沒有選擇加拿大作為反應(yīng)堆候選國，加拿大政府隨后宣布，由于缺乏資金退出該項目。

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最終的ITER參與國[/B]
ITER的相關(guān)會議確定，反應(yīng)堆所在國出資48%，其他國家各出資10%。經(jīng)過各項細(xì)節(jié)談判，2007年反應(yīng)堆終于在法國南部的卡達(dá)拉齊開始動工建造。

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盡管ITER計劃采用了最先進(jìn)的設(shè)計，綜合了以往的經(jīng)驗和成果，比如采用全超導(dǎo)技術(shù)，但它的確還面臨重重挑戰(zhàn)。即使它能如期在2018年如期建成，這個10層樓高的龐大機(jī)器能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)也還是個未知數(shù)。諸如探索新的加熱方式與機(jī)制為實現(xiàn)聚變點火，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)還有待于各國科技工作者群力攻關(guān)。即使對ITER的科學(xué)研究真的成功了，聚變發(fā)電站至少還要30～50年以后才能實現(xiàn)。
盡管如此，我們還是看到了人造太陽露出的晨曦。
(本文經(jīng)中科院等離子體所裝置總體設(shè)計研究室武松濤主任審讀)

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