“人造太阳”有多远？驾驭核聚变获理想能源

ITER，世界最大的托卡马克（国际热核聚变实验堆）

ITER的超导线圈所用超导电缆是中国科学院合肥等离子体物理研究所所制

　　ITER加热系统原理图：一个中性束注入器和两种高频电磁波将等离子体加热到1.5亿摄氏度

　　日前，国际热核聚变实验堆（ITER）组织理事会于实验堆所在地——法国的卡达拉舍举行特别会议，7个参与国家和组织（中国、韩国、欧盟、印度、日本、俄罗斯和美国）就合作建造 ITER计划总预算的修订、整个计划实施的时间进程两项主要内容再次进行协商，终于达成一致：立即按预定计划开始实验堆的建造进程，这标志着人类对受控核聚变的探索步入了关键的发展阶段——

　　核聚变一旦被驾驭

　　人类将获理想清洁能源

　　50多年前，人类已经在地球上实现了发生在太阳内部的氘（ｄāｏ）氚（ｃｈｕāｎ）核聚变过程，这就是氢弹爆炸。

　　氢弹的成功引爆，让人类真正体会到两个质量最轻的原子核聚合竟会瞬间释放出如此惊人的巨大能量！如果能够按照人们的需要有效地控制这个反应过程，让能量长期地、持续地释放，就可以将这个反应产生的巨大能量拿来为人类发电，实现核聚变能的和平利用。

　　大家比较熟识的核电，是从上世纪50年代发展起来的和平利用核裂变能技术。与传统的化石燃料经过燃烧排放大量温室气体、污染大气的缺陷相比，核能的利用就清洁多了。可惜核裂变能的利用会产生难于处理的核废料，处理成本相当高，加上安全运行问题时有发生，它依然会给人类的生存环境造成威胁。加上全世界的核燃料资源（铀矿）也只够我们用70年，核能的利用依然无法很好地解决“清洁”和“恒久”两大问题。

　　受控核聚变一旦能够成功，不但产生的能量巨大，还可以为人类带来理想而恒久的清洁能源。

　　首先，核聚变所消耗的“燃料”（氘和氚）来自世界上普遍存在的海水，燃料资源极为丰富。一个水分子有两个氢原子，它的同位素氘（亦称“重氢”）与氧原子结合所生成的水称为“重水”，在海水中所占比例虽然小，但是人们只需用蒸馏法就可从海水中取得重水，然后再电解重水就可获得氘。而氚也可以从海水中含量丰富的锂元素中制造出来。因为锂原子在重水反应堆中被中子轰击之后就会分裂成氚和氦。科学家将用锂制的靶件放入重水反应堆内，在中子的照射下得到氚。

　　尤其重要的是，这个核聚变反应生成的废物是氦，它并不给环境带来污染，这意味着，这种核聚变过程一旦被驾驭，人类将获得一个理想的清洁能源。

　　从核物理理论和爱因斯坦著名的质量能量转换公式可知，聚变能比裂变能还要大几倍。经测算，l升海水所含的氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量；1公斤氘全部聚变释放的能量大致相当于11000吨煤炭所释放的能量；海水中氘的储量足够人类使用几十亿年。这是目前为止没有任何新能源能与之比拟的。

　　难怪，人们把这种受控核聚变形象地称之为“人造太阳”计划。

　　ITER实验堆

　　是内部温度极高的“磁笼子”

　　计划中的ITER实验堆是一个全超导托卡马克装置，高24米，直径30米，建成之后总重量将达23000吨，比三座法国巴黎的埃菲尔铁塔（7300吨）还要重。

　　燃料（氘和氚的混合物）有了，还得把它们关在“笼子”里让人们控制它。科学家们首先把这些燃料变成离子（这是物质除了以固态、液态和气态存在之外的第四种存在形式）状态，才能用电与磁的方法束缚、控制它们。

　　ITER实验堆计划中设计的笼子是一个足够大的“磁笼”，它实际上是由18节巨型的D型环向磁场线圈所组成，每一节就重360吨，相当于一架满载的波音747-300客机的总重量。当强大的电流通过这些大线圈时，环形线圈内就产生强大的环形磁场，磁场内等离子体的带电粒子就被它的磁力线约束住了。可以想象，高达1.5亿摄氏度（相当于太阳内核温度的10倍）的极高温等离子体内，粒子运动非常激烈，所以必须形成足够强大的磁场来约束它们。这实在是太难了！幸而超导技术的突飞猛进帮了大忙。

　　产生热核聚变的另一个重要条件就是要制造温度达1.5亿摄氏度的高温等离子区，在这种环境下，带正电的氘核和氚核才得以克服静电斥力互相碰撞。ITER使用的产生高温方法很像微波炉对食物加热。参加合作的我国科学家正在努力研究更高性能的“高功率射频加热装置”来实现它。

　　还得考虑的是：这么高温度的等离子体，用什么材料作容器（反应器）都承受不了。科学家非常聪明，通过环形螺线管磁场约束能将高温等离子体约束在反应器中间而不接触反应器的“墙壁”。但这样超高的温度还是会通过热对流、热辐射将热量传到反应器内壁。后来，科学家动用了耐高温的石墨材料来制造这个反应器，还在它的内壁衬上含锂的材料。

　　最新预算加至160亿欧元

　　20年达到实验目标？

　　从提出磁约束开始，有人就曾预言50年内实现受控核聚变。至今，半个多世纪过去了，科学家们还在不断地克服类似的种种技术障碍和挑战，距离最初的目标依然相当遥远。难就难在，用什么方法将等离子体升温至1.5亿摄氏度，还要在这种温度下长时间、稳定地维持等离子态的密度以确保热核聚变持续进行。科学家们已经估计到，氘和氚离子不管如何被约束，还是会有些更高能量的离子逃逸出去。如果不能维持足够、稳定的等离子体，聚变反应就无法维持下去。ITER面临类似的考验还很多。

　　然而，人类的技术总是不断进步的，我们相信，在未来的几十年里，更多更新的技术又将会出现，人类将会利用这些更新的技术手段，更具体地认识受控核聚变的物理过程，并用自己的智慧和能力证明，人类获得永久清洁能源的前景是光明的。

　　在日前召开的ITER理事会上，在各方承诺把预算追加到160亿欧元后，ITER计划修订后确认的时间表如下：从2007年年底开始至2019年为实验堆建设阶段。实验堆建设的里程标志是：首个等离子体于2019年11月前诞生；下一阶段为热核聚变操作实验阶段，即要求在2027年3月前开始实验堆内的氘氚反应，直到获得50万千瓦输出功率为止。

　　链接

　　实现难度极大

　　引发各方国际合作

　　继1983年美国时任总统里根提出以美苏为首合作建设国际空间站的设想之后两年，美国和前苏联在日内瓦峰会上又向国际社会提出了一个宏大的国际合作计划——以美苏为首，邀请多国参与，投资建造国际热核聚变实验堆（ITER），目的是合作进一步深入研究受控热核聚变能的物理机理，尽快搞出一个可供商业化运作参考的实验系统。1986年，ITER开始设计和筹建，美、欧、日三方表示愿意接受前苏联科学家提出的“托卡马克”方案和有关合作计划的建议。

　　1988年国际热核聚变实验堆计划正式启动。1992年，上述四方首次签署了国际热核计划工程设计协议，1998年基本完成前期工作。虽然苏联的解体和随后美国1999年一度宣布退出使这一国际合作计划受到很大影响，但到2001年，新的工程设计修改方案还是圆满完成了。2003年初，中国受邀宣布加入该计划的谈判，再加上有韩国和此后印度的加入，到2006年5月，代表着全人类人口一半以上的7国合作方达成一致，决定在法国的卡达拉舍建造国际热核聚变实验堆。

　　中国科学院新技术开发局高级工程师 陈贺能