人造“太阳”是世纪狂想吗？

锡　士

人造“太阳”？！没错，的确是人造太阳。

2006年初，从合肥科学岛获悉，以探索无限而清洁的核聚变能源为目标的EAST超导托卡马克（俗称“人造太阳”）已经进入总装的最后阶段，预计将于今年三四月建成，七八月份正式进入放电运行实验。据专家介绍，如届时能成功按期完成放电实验，合肥将成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。

通俗地讲，所谓“人造太阳”，是指受控核聚变。受控核聚变即使发生错误，剂量过大，反应堆也能够自己很快地识别出来，结束反应，不会发生不可控的连锁反应。即使反生可能想像出的最坏事故，周围地区也不用疏散。

传统能源面临枯竭

地球上的传统能源资源，其实根本就不是人们以前所想象的那样取之不尽，用之不竭，而且，随着社会的发展和经济的进步，对能源的利用正呈急剧上升趋势。

现已探明，地球上石油资源总计约1019亿桶，天然气合计144万亿立方米，煤炭10316亿吨，铀436万吨，而石油、天然气、煤炭可供开采的时间都不超过450年。

尽管20世纪后半叶，核能利用出现热潮，各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。但目前所有核电站的原理，都是利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变，来释放巨大能量的。且不说这种类型的裂变电站引发的核污染噩梦和它所创造的能量同样触目惊心，单就其主要原料铀而言，地球的储量也仅够维持数百年之用。

总之，人类必须解决日益面临的能源危机。

因此，人类不得不将索求能源的目光投向太阳，并将最终解决能源需求的希望寄托于受控核聚变的实现和推广，试图建设利用氢的同位素氚和氚的原子核实现核聚变的热核反应堆。

热核聚变所用的重要核燃料是氚。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氚量只需304千克。据测，每1升海水中含30毫克氚，30毫克氚聚变产生的能量相当于300升汽油，就是说，1升海水约等于300升汽油。而地球上海水中有45万亿吨氚，足够人类使用60亿年。

更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射线污染，无需担忧失控，不会发生爆炸，是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。

其实，人类早已实现了氚氚核聚变——氢弹爆炸，但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难，而驯服核能，使核聚变在人为控制下为人类服务却是件异常艰难的事。时至今日，人们越来越清醒地认识到，受控核聚变实现之日方是我们真正摆脱能源危机之时。

人造太阳之梦

太阳，高悬九天之上，温暖而灿烂，其永恒放射的万丈光芒自古便是人类祖先崇拜的图腾。

斗转星移，沧海桑田，直到19世纪末，放射性研究的开启才真正将人类引领到太阳迷宫的门外，而核聚变的发现终于使人类喊出了那一声响亮的“芝麻开门”。

最初，剑桥卡文迪许实验室的英国化学家和物理学家阿斯顿，在用自已创制的摄谱仪从事同位数研究时发现，氦--4质量比组成氦的4个氢原子质量之和大约小1%左右。1929年，英国的阿特森和奥地利的奥特斯曼联合撰文，证明氢原子有聚变为氦的可能性，并认为太阳那千秋喷薄的光与热皆源自这种轻核聚变反应。

随后的研究证实，太阳发出的能量来自组成太阳的无数的氢原子核。在太阳中心的超高压下，这些氢原子核相互作用，发生核聚变，结合成较重的氦原子核，并释放出巨大的光和热。于是，科学家设想，如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应即受控热核反应，那么在地球上同样创造出一个个具有不竭能量的“人造太阳。”

在地球上造太阳并非科学狂人的疯狂之举，早在1938年，人们就发现了发核聚变。然而，距1942年第一座核裂变反应堆建成已半个多世纪了，受控聚变还是迟迟没有实现有益的能量输出。

20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，而托卡马克类型的磁约束研究更是一路领先，并成为世界上第一座热核反应堆的设计基础。

这个能将几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质——人造太阳，置入其中的托卡马克究间身为何物？

托卡马克（TOKAMAK）在俄语中是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，即环形磁真空室的缩写。

曾因成功解释切伦科夫辐射现象获1958年诺贝尔物理学奖的苏联著名物理学家塔姆，早在20世纪50年初初，就提出了用环形强磁场约束高温等离子体的设想。

他认为，把强电流产生的极向磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。受这一思想的启发，前苏联物理学家阿奇莫维奇开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套多匝线圈，利用电容器放电使真空室外形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来又利用不锈钢真空室外代替陶瓷真空室，还改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克。

具有奇特旋转磁场位形的托卡马克的出现，使受控核聚变研究取得了重大的进展。自20世纪70年代起，世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美、欧、日、苏建造了四个大型托马克，中国科学院物理所继第一台小型托卡马克CT-6于1975年制度运行后，1984年6月，又建成了中国环流1号（HL-1）。2002年12月，中国环流器2号A，在成都核工业西南物理研究院建成并投入运行。

目前，全世界有30多个国家及地区开展了核聚变研究，运行的托卡马克装置至少有几十个。

路还很漫长

2004年新年来临之际，俄罗斯萨罗夫邦核能中心的科学家们宣布在地球上燃起人造太阳。

据全俄实验物理科学研究所科技中心的负责人维克多·谢列米尔称。该中心的一个试验场通过磁爆技术制造出了地球磁场强2000万倍的强磁场。他表示：“今后这种高强度磁场将帮助我们进行可操控热核反应，而这种热核反应将为我们提供无穷无尽的环保清洁能源。”

谢列米尔解释称：“我们的人造太阳其实就是一个巨型的热核反应堆。为了点燃这颗人造太阳，就需要将预先加热到数百万度的等离子体在极短的时间内使用超强磁场进行压缩，这个时间大约为数毫微秒（1毫微秒等于十亿分之一秒）。”

在等离子体受压转化为热能的同时，所产生的机械能转化为热能，而此时反应堆中的等离子体温度被加热达1亿度。据谢列米尔称，目前科学家们在压缩等离子体时所用时间只能达到5微秒（1微秒等于百万分之一秒）。因此，科学家们寄希望于正在萨罗夫研制的新装置来加速此压缩进程。

但事情并非如此简单。因为，轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难多得。

都带正电的原子核既彼此吸引又互相排斥，当两个原子核之间相距只有约万亿分之三毫米时，它们之间的吸引力才会大于静电斥力，两个原子核也才可能聚合到一起同时释放出巨大的能量。而满足这样的条件需要的是几千万甚至几亿摄氏度的高温。

人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。比较切实可行的控制办法是通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一，而且对能量的约束也要有足够长的时间。也就是说，我们无法简单模拟太阳中心那样高的等离子体密度和上亿的温度，只有追求比太阳中心更高的温度来解决碰撞几率问题。创造这样苛刻的环境在技术上的难度就可想而知。

还有，超高温的等离子体，有强烈地向外扩张的特性，必须有极强的磁场来约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触，试想，怎样的材料才能装进“太阳”而不自身化为乌有？

这不啻是一个旷古难题。

从1990年开始，合肥科学岛等离子体所历时3年多建成中国第一台超导体托卡马克装置——HT-7，使中国成为继俄、法、日之后第四个拥有同类实验装置的国家，实验中最高温度超过5000万摄氏度。从2000年开始，专家们在HT-7的基础上，开始建另一个更大型代号为EAST的新一代全超导非圆截面托卡马克装置。

据了解，作为HT-7的升级版，EAST能使等离子稳定运行的时间达到16分钟以上，能获得1亿摄氏度以上的高温，远远超出世界上现有最先进的托卡马克装置，是我国“九五”重大科学工程之一，该工程总投资近3亿元。

如果按期完成放电试验，那EAST就是世界上第一个建成的非圆截面、全超导托卡马克。然而中国的花费却只到世界上同类装置的1/15或1/20。