距離當(dāng)年氫彈爆炸50多年了，盡管世界上許多國(guó)家建起了核電站，人類(lèi)仍然沒(méi)有看到一座核聚變發(fā)電站的出現(xiàn)。核聚變電站的誘人前景依然是人們心中一個(gè)割舍不去的夢(mèng)。50年來(lái)，全世界都在為建立一個(gè)能夠控制核聚變的裝置而努力。在30多個(gè)國(guó)家建造的大大小小上百個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置上，每一次放電時(shí)間的延長(zhǎng)人們都為之興奮；每一次溫度的提高人們都為之歡呼。因?yàn)檫@看似小小的進(jìn)步意味著我們離聚變能的應(yīng)用更近了一步。前不久，中科院等離子物理所建成的全超導(dǎo)的托克馬克試驗(yàn)裝置調(diào)試成功，掀起了全世界對(duì)未來(lái)“人造太陽(yáng)”的極大關(guān)注。

中國(guó)“人造太陽(yáng)”引發(fā)世界沖擊波

? 本報(bào)記者 朱冰綜合報(bào)道 “人造太陽(yáng)”調(diào)試成功聽(tīng)到這樣的消息人們難免心生疑問(wèn)：太陽(yáng)可以人造嗎？在大多數(shù)人眼中，“人造太陽(yáng)”是人類(lèi)復(fù)制的一個(gè)新太陽(yáng)。“人造太陽(yáng)”真能掛在天上嗎？它究竟是個(gè)什么樣子？中國(guó)剛剛調(diào)試成功的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置又是什么呢？這個(gè)答案只有親自造太陽(yáng)的人知道。

據(jù)國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程EAST建設(shè)項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人萬(wàn)元熙教授介紹，引起人們猜測(cè)的“人造太陽(yáng)”，就是中科院 等離子物理研究所經(jīng)過(guò)8年艱苦奮斗建造成的全超導(dǎo)的托克馬克試驗(yàn)裝置。“未來(lái)的‘人造太陽(yáng)’基本上是這樣，可能會(huì)更大些”。

“簡(jiǎn)單地理解，之所以被稱(chēng)作‘人造太陽(yáng)’，是因?yàn)檫@個(gè)裝置產(chǎn)生能量的原理和太陽(yáng)產(chǎn)生能量的原理一樣。”萬(wàn)元熙解釋?zhuān)?yáng)能夠發(fā)出強(qiáng)光，輻射到宇宙空間中去，巨大的能量來(lái)自于核聚變反應(yīng)。

氫彈是瞬間的，而“人造太陽(yáng)”則能持續(xù)不斷地產(chǎn)生巨大能量。我們把這種研究稱(chēng)為受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)。這種反應(yīng)在兩條途徑中正在迅速發(fā)展。一條途徑就是造出各式各樣的磁容器來(lái)，其中一類(lèi)磁容器叫做托克馬克。經(jīng)過(guò)全世界60年的努力，這類(lèi)托克馬克聚變裝置已取得巨大成功。在這種裝置上已經(jīng)可以把氘的聚變?nèi)剂霞訜岬?億-5億度的高溫區(qū)，在這樣的溫度下發(fā)生大量的聚變反應(yīng)。

據(jù)悉，世界上最大的托克馬克裝置歐洲聯(lián)合環(huán)的聚變功率輸出達(dá)16兆-17兆瓦，但仍只能短暫地運(yùn)行。也就是說(shuō)，這個(gè)磁籠只能存在幾秒、十幾秒鐘，從加熱到實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)只有幾秒鐘的時(shí)間。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在力求實(shí)現(xiàn)讓托克馬克裝置連續(xù)不斷地反應(yīng)。

“一方面我們獲得了巨大進(jìn)展，另一方面，能否走向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是未來(lái)的聚變反應(yīng)堆所需要的。”萬(wàn)元熙表示。“我們建造的這個(gè)全超導(dǎo)的托克馬克試驗(yàn)裝置最大的特點(diǎn)就是，把托克馬克已經(jīng)取得的進(jìn)展過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的‘人造太陽(yáng)’做出重要貢獻(xiàn)。”

據(jù)悉，今年七八月，全部裝置裝好僅僅是物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始。這個(gè)物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)引起全世界同行的很大關(guān)注和極高的興趣，因?yàn)檫@是到目前為止第一個(gè)全超導(dǎo)的、可以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的托克馬克裝置。

萬(wàn)元熙還解釋說(shuō)，目前全世界所有的聚變裝置還不能被稱(chēng)之為“人造太陽(yáng)”。從所有裝置上得到的各種研究結(jié)果都是為未來(lái)建造真實(shí)的受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)堆、聚變能電站做出重要的貢獻(xiàn)，奠定工程和物理基礎(chǔ)。沒(méi)有這些工程和物理基礎(chǔ)，未來(lái)建造真實(shí)的聚變反應(yīng)電站是不可想象的。完美 能源不是夢(mèng)根據(jù)1998年世界能源組織公布的數(shù)據(jù)，地球上所蘊(yùn)藏的鈾礦作為燃料只能用60年左右。不僅如此，使用鈾礦的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一些高放射性廢物，這些廢物的壽命非常長(zhǎng)，幾千年、幾萬(wàn)年仍然有放射性，對(duì)人類(lèi)的環(huán)境造成另外一種污染。相比之下，聚變能源的燃料則來(lái)自于海水，1升海水中所含氫的同位素氘如果全部提取出來(lái)，放到未來(lái)的人造太陽(yáng)中發(fā)生聚變反應(yīng)，放出來(lái)的能量等同于燃燒300公升的汽油的能量。

可以想象，到那時(shí)人類(lèi)需要的一次性的能源將是無(wú)窮盡的，不會(huì)為可持續(xù)發(fā)展而操心，不會(huì)為能源的短缺發(fā)生政治、軍事等沖突，最重要的是不會(huì)因?yàn)槭褂没剂霞捌渌剂衔廴经h(huán)境。

早在氫彈爆炸成功時(shí)，前蘇聯(lián)和美國(guó)就以絕密的形式進(jìn)行受控?zé)岷司圩兡艿难芯?。由于原子彈爆炸后，十幾年的時(shí)間就研制出裂變電站，人們可以利用原子彈的裂變能量；氫彈爆炸后，我們即將獲得巨大的、無(wú)限的清潔能源。這些國(guó)家便認(rèn)為，能夠成功爆炸氫彈，也可以用5年、10年或者15年的時(shí)間造出一個(gè)聚變能電站。專(zhuān)家表示：“我們對(duì)此非常樂(lè)觀。”

受控?zé)岷司圩兊臈l件是必須加熱燃料到億萬(wàn)度的高溫，把燃料約束到一個(gè)局部的小空間中。什么物質(zhì)的器皿能夠盛裝上億度的高溫燃料？這成為當(dāng)前最主要的難題。耐火磚、不銹鋼都不可行，必須采用特殊方式來(lái)約束聚變?nèi)剂稀?/p>

如果沒(méi)有物質(zhì)的器皿盛裝上億度高溫的等離子體聚變?nèi)剂希煞裼么艌?chǎng)構(gòu)造一個(gè)磁的容器來(lái)盛裝？這就產(chǎn)生了托克馬克這類(lèi)磁約束聚變裝置。使用這個(gè)裝置，其外面大量的大線圈和磁體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的磁容器，在這個(gè)磁容器里面約束、加熱聚變的燃料，讓它發(fā)生聚變反應(yīng)。

過(guò)去的60年，近100個(gè)大大小小的托克馬克一點(diǎn)點(diǎn)地貢獻(xiàn)了不同特點(diǎn)的技術(shù)，才使得我們敢于去建造越來(lái)越大的托克馬克聚變裝置。背景鏈接托克馬克

如何克服巨大的靜電斥力將原子核聚到一起，還要將它們的密度維持在一定水平以防不安全的能量爆發(fā)(如氫彈就是不可控的核聚變)？前蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代初率先提出磁約束的概念，并在1954年建成了第一個(gè)磁約束裝置—形如中空面包圈的環(huán)形容器“托克馬克(Tokamak)”，又稱(chēng)環(huán)流器。一般情況下，在超過(guò)10萬(wàn)攝氏度的磁場(chǎng)中，原子中的電子就脫離了原子核的束縛，形成等離子體。帶電粒子會(huì)沿磁力線做螺旋式運(yùn)動(dòng)，所以等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場(chǎng)中，也叫磁籠。人造太陽(yáng)

億萬(wàn)年來(lái)，地球上的萬(wàn)物靠著太陽(yáng)源源不斷的能量維持自身的發(fā)展。在太陽(yáng)的中心，溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度，氣壓達(dá)到3000多億個(gè)大氣壓。在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量。幾十億年來(lái)，太陽(yáng)猶如一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置，無(wú)休止地向外輻射著能量。

核聚變能是兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核時(shí)釋放的能量，產(chǎn)生聚變的主要燃料之一是氫的同位素氘。氘廣泛分布在水中，每升水約含30毫克氘，通過(guò)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油的熱能。采集氘并使之與相關(guān)物質(zhì)聚變產(chǎn)生能量，就是“人造太陽(yáng)”的原理。

根據(jù)科學(xué)家的分析，如果我們未來(lái)能建成一座1000兆瓦的核聚變電站，每年只需從海水中提取304公斤的氘就可產(chǎn)生1000兆瓦的電量。照此計(jì)算，地球上僅在海水中就含有45萬(wàn)億噸氘，足夠人類(lèi)使用上百億年，比太陽(yáng)的壽命還要長(zhǎng)。

1952年，當(dāng)?shù)谝活w氫彈爆炸之后，人類(lèi)制造核聚變反應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)，但那只是不可控制的瞬間爆炸。從那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，科學(xué)家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個(gè)試驗(yàn)裝置上加以控制，然后源源不斷地取出它的核聚變能。50多年過(guò)去了，這個(gè)夢(mèng)想一直沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起了耗資100億歐元的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆?ITER?計(jì)劃，旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，中國(guó)于2003年加入該計(jì)劃。中科院等離子物理研究所是這個(gè)國(guó)際科技合作計(jì)劃的國(guó)內(nèi)主要承擔(dān)單位。

1994年底，中科院等離子物理研究所建成中國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7，使中國(guó)成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的國(guó)家。在此基礎(chǔ)上，專(zhuān)家著手研制中國(guó)“九五”重大科學(xué)工程之一—EAST。從2003年開(kāi)始，EAST開(kāi)始進(jìn)入總裝。據(jù)介紹，該工程立項(xiàng)時(shí)國(guó)家投資1.65億元人民幣。推進(jìn)國(guó)際合作 實(shí)現(xiàn)人類(lèi)夢(mèng)想據(jù)悉，由于商業(yè)利益巨大，以及對(duì)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的重要性，一直以來(lái)所有關(guān)于“人造太陽(yáng)”的試驗(yàn)一直處在絕密狀態(tài)。但是，事實(shí)上，當(dāng)從事這些絕密研究數(shù)十年后，所有國(guó)家都發(fā)現(xiàn)想要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)太困難了。因此發(fā)展到現(xiàn)在，受控?zé)岷司圩兊难芯吭谌澜绯蔀樽顝V泛的國(guó)際合作研究項(xiàng)目，已經(jīng)不再保密。

據(jù)悉，我國(guó)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代中期就開(kāi)始了可控核聚變的研究。1984年，中國(guó)核工業(yè)總公司西南物理研究院曾建成中國(guó)最大的研究核聚變的托克馬克裝置。2006年3月，中科院等離子物理研究所建造的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試成功，意味著能夠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)具備實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

中科院等離子物理研究所所長(zhǎng)李建剛說(shuō)：“我們這一代科學(xué)家已經(jīng)做了50年還沒(méi)有建成‘人造太陽(yáng)’。并不是說(shuō)我們太笨，因?yàn)檫@件事情太難了，難到靠任何一個(gè)國(guó)家的財(cái)力、物力和科學(xué)技術(shù)都不可能達(dá)到。我最大的愿望就是希望有生之年能夠看到一個(gè)燈泡是用聚變能點(diǎn)亮的。但是客觀地講，這種愿望可能實(shí)現(xiàn)不了，因?yàn)樘y了。”

雖然中科院研制的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置還沒(méi)有進(jìn)行真正的核聚變實(shí)驗(yàn)，但是他們的調(diào)試成功已經(jīng)得到了國(guó)際聚變界的關(guān)注和稱(chēng)贊。在國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程EAST建設(shè)項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人萬(wàn)元熙教授看來(lái)，和30年前剛剛開(kāi)始這項(xiàng)研究相比，國(guó)際聚變界態(tài)度的轉(zhuǎn)變讓人頗有感觸。

萬(wàn)元熙談道：“過(guò)去我們與其他國(guó)家討論國(guó)際交流合作的時(shí)候，某些國(guó)家的官員總說(shuō)‘我們跟你沒(méi)合作，沒(méi)有什么可獲得的’?，F(xiàn)在，世界上許多著名的研究所都主動(dòng)、積極地要求與中科院等離子物理研究所、中國(guó)磁約束聚變界進(jìn)行廣泛合作。10多年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)力的強(qiáng)盛和改革開(kāi)放的深入，一批有才干的、本土的聚變?nèi)瞬乓呀?jīng)迅速成長(zhǎng)起來(lái)，這對(duì)中國(guó)未來(lái)聚變研究是至關(guān)重要的。中國(guó)的聚變研究不是一代人能夠?qū)崿F(xiàn)的，‘人造太陽(yáng)’的夢(mèng)不是一代人能夠完成的，這個(gè)夢(mèng)要幾代人連續(xù)不斷的努力才能夠?qū)崿F(xiàn)。”

萬(wàn)元熙回憶：“我們宣傳受控?zé)岷司圩兊臅r(shí)候，許多領(lǐng)導(dǎo)會(huì)緊接著問(wèn)‘我們什么時(shí)候能拿到聚變能？我們什么時(shí)候能夠發(fā)電？’我告訴他們，可能還要30-50年時(shí)間。‘哦，看來(lái)是太長(zhǎng)了。’我要說(shuō)的是，與人類(lèi)歷史發(fā)展的長(zhǎng)河相比，30年、50年算什么！50年的時(shí)間中國(guó)發(fā)生了翻天覆地的變化，如果再來(lái)30-50年，我們能夠一勞永逸地解決人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展最重要的清潔能源，無(wú)限的清潔能源，30-50年不成問(wèn)題。”

據(jù)了解，研究建設(shè)“人造太陽(yáng)”是一項(xiàng)極其耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力、時(shí)間的事業(yè)。比如，在托克馬克已經(jīng)取得巨大成功的基礎(chǔ)上，國(guó)際聚變界曾在1984年聯(lián)合進(jìn)行下一個(gè)試驗(yàn)聚變堆的設(shè)計(jì)和研究。當(dāng)時(shí)有幾個(gè)不同的版本。第一個(gè)版本是用100億歐元把這個(gè)試驗(yàn)反應(yīng)堆建造起來(lái)，國(guó)際聚變界、各國(guó)政府都覺(jué)得花錢(qián)太多；之后改成第二個(gè)版本，用50億歐元建造，現(xiàn)在已經(jīng)得到各個(gè)國(guó)家政府的批準(zhǔn)，中國(guó)也決定加入進(jìn)來(lái)。50億歐元也僅僅能夠建造一個(gè)試驗(yàn)反應(yīng)堆，而這個(gè)試驗(yàn)反應(yīng)堆將會(huì)產(chǎn)生500兆-700兆瓦的聚變功力。

萬(wàn)元熙介紹，中科院2月份進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試的時(shí)候，大概每天的電費(fèi)就達(dá)5萬(wàn)元左右，還不包括其他易損件的補(bǔ)充、更替和人力等。這樣一個(gè)裝置如果正常運(yùn)行起來(lái)，每天運(yùn)行和試驗(yàn)的費(fèi)用應(yīng)當(dāng)在10萬(wàn)元左右。“幸運(yùn)的是我們的工程調(diào)試非常成功，對(duì)于裝置的運(yùn)行我們有95%的成功把握。聽(tīng)到我們工程調(diào)試成功的消息后，世界上主要研究所著名科學(xué)家紛紛來(lái)電祝賀，并將于今年10月來(lái)參加我們的第二次國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)。這就是說(shuō)，我們的投入得到了非常好的回報(bào)”。