張素貞

人類曾賴以生存的傳統(tǒng)能源——煤炭、石油、天然氣正在逐漸枯竭，據(jù)預測，它們的服務時間最多只夠再維持兩三百年。面對如此嚴峻的“能源危機”，人類將視線轉移到太陽能、風能、水能、海洋能、生物質(zhì)能等新能源上，但因技術和自然因素的限制，其產(chǎn)生的能量仍無法滿足人類需求。

一籌莫展之際，人類從太陽身上得到了靈感。每天都在發(fā)光發(fā)熱的太陽擁有無窮的能量，而給予它能量的正是太陽核心所發(fā)生的核聚變反應，科學家便由此聯(lián)想到人為制造核聚變反應，從而釋放出可以為人類所用的能量。氫彈就是人類已經(jīng)實現(xiàn)的一種核聚變反應產(chǎn)物，但氫彈的問題是能量緩釋無法控制，所以它爆炸的一瞬間形成了可以毀滅地球的殺傷力。為了將這種具有強大殺傷力的能量轉化為可以為人類所用的能源，一系列受控熱核聚變能的研究相繼展開。

我國科技工作者獨立設計制造的“東方超環(huán)”核聚變實驗裝置，是世界首個全超導托卡馬克裝置，通過將反應原料加熱到上億攝氏度（比太陽核心溫度高十倍）來實現(xiàn)可控核聚變反應。因為這一實驗的反應原理與太陽相同，因此也被稱為“人造太陽”項目。

診斷系統(tǒng)

“東方超環(huán)”在進行實驗時，科學家們需要全程監(jiān)控它的各項反應參數(shù)。然而由于“超高溫度”造成的極限環(huán)境很難直接測量，科學家們就“迂回”地采用光譜分析來推導里面的各項參數(shù)數(shù)據(jù)。這種方法很像醫(yī)生通過聽診來判斷人體內(nèi)的健康情況，因此將極限環(huán)境下的測量系統(tǒng)稱為診斷系統(tǒng)。

微波加熱系統(tǒng)

采取家用微波爐的微波共振原理，通過數(shù)萬倍于家用微波爐的加熱功率將聚變?nèi)剂系臏囟燃訜岬缴蟽|攝氏度，以達到核聚變所需的反應溫度（相當于數(shù)萬個家用微波爐同時運轉）。

電流引線系統(tǒng)

將變電站中的“超大電流”（家用電流的1萬倍）輸入到“東方超環(huán)”的通電線圈中，以此產(chǎn)生“超強磁場”。因該系統(tǒng)須暴露在室溫環(huán)境下，無法使用超導材料，所以電流引線很粗，并且外面還包覆一層水循環(huán)冷卻系統(tǒng)來降低溫度。

低溫分配系統(tǒng)

為“東方超環(huán)”上的超導材料分配低溫冷卻劑（主要是零下269攝氏度的液氦），使超導導體達到所需的低溫，從而實現(xiàn)“超大電流”在超導材料上“無阻礙”地通過。

抽真空系統(tǒng)

“東方超環(huán)”同時存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個極限溫度，真空是有效隔熱的主要手段，也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變?nèi)剂系幕A。抽真空系統(tǒng)可以將整個裝置主機內(nèi)抽成需要的真空環(huán)境，為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎，并為核聚變反應提供純凈環(huán)境。

中性束注入系統(tǒng)

利用中性粒子不受磁場控制的原理，將加速后具有巨大動能的中性粒子與帶電粒子進行碰撞來傳遞能量，從而加熱聚變材料。

“東方超環(huán)”上的“超級”環(huán)境

超級熱的核心溫度

“東方超環(huán)”上的核心溫度很高，因為只有達到1億攝氏度以上，才具備實現(xiàn)核聚變反應的條件。而太陽的核心溫度才1500萬攝氏度，也就是說，“東方超環(huán)”的核心溫度比太陽還要高上數(shù)倍。在如此高的溫度下，所有物質(zhì)都會以物質(zhì)的第四種狀態(tài)（即等離子體）存在。這些超高溫的等離子體會像脫韁的野馬一樣四處逃竄，足以燒蝕任何固態(tài)物質(zhì)。所以，必須要制造出一種可以控制這些“等離子體”的“超級容器”來限制它們的運動。那么，這個“超級容器”是什么呢？

先進超導托卡馬克實驗裝置的等離子體

超級強的控制磁場

等離子體是一種內(nèi)部帶電的特殊氣體。科學家們利用其帶電特性，用一種“強磁場”來實現(xiàn)對這種極高溫氣體的控制。在“東方超環(huán)”上，這種磁場的強度可以達到地球磁場的10萬倍。強磁場的磁感線像一條條無形的“鎖鏈”，將高速運動的等離子體粒子牢牢地“拴”住，從而實現(xiàn)對超高溫等離子體的約束，避免這些超高溫度的等離子體將裝置燒毀。那么，如此強大的磁場要如何產(chǎn)生？

超級大的通電電流

超強的磁場由超大的電流產(chǎn)生?！皷|方超環(huán)”上產(chǎn)生的電流最大可達家用電的1萬多倍。對于這么大的電流，承載的導線要做到很粗才不會被燒斷，但與此同時，能量也會在導線上白白損耗掉。為了解決這一問題，“東方超環(huán)”采用了超導導線。超導具有在低溫狀態(tài)下電阻消失的特性。因為沒有了電阻，所以無論多大的電流通過，都不會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。這樣一來，“東方超環(huán)”所使用的導線就能變得很細了。那么，如何在“東方超環(huán)”上營造低溫環(huán)境？

等離子容器內(nèi)部

超級冷的超導線圈

為了使超導導線持續(xù)穩(wěn)定地處在超導狀態(tài)，“東方超環(huán)”上的導線是浸入在零下269攝氏度的液氦中的。也就是說，在“東方超環(huán)”上，不僅存在1億攝氏度的超高溫，還存在零下269攝氏度的超低溫，而這兩個極限溫度之間的距離只有一米多遠。這么高的溫差對裝置材料的損傷很大。為了消除極大溫度差異對部件材料的影響，“東方超環(huán)”的各個部件都處于真空狀態(tài)，以減少部件之間的熱傳導。

超級凈的真空環(huán)境

真空是一種非常稀薄的氣體，由于里面的粒子密度很低，熱傳導很慢，所以真空有著比較優(yōu)良的隔熱性能。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，用來盛放開水的暖水瓶應用的就是真空隔熱的原理。只不過，暖水瓶的瓶身真空度比較低，而“東方超環(huán)”的真空度則高得多。在“東方超環(huán)”的核心，真空度維持在大氣壓的一千億分之一左右，而且，“東方超環(huán)”的真空環(huán)境是非常潔凈的。

國際熱核聚變實驗反應堆（ITER） 示意圖，以紅圈中的兩米高人形作為參照物來顯示其大小

國際核聚變研究發(fā)展概況

對于核聚變裝置來說，磁場形狀是多樣的。目前，國際上主要采用一種像甜甜圈的圓環(huán)形“磁籠子”來進行核聚變實驗，這種環(huán)形裝置有個通用的名字——托卡馬克。

20世紀50至60年代，蘇聯(lián)科學家首次提出了托卡馬克的概念，并建造了世界上第一臺托卡馬克裝置，取名T-1。在這之后，世界各國的科學家相繼建造了大大小小超過100座托卡馬克裝置，實驗參數(shù)也在不斷刷新。

為了實現(xiàn)托卡馬克長時間穩(wěn)定運行，科學家引入“超導”概念，開始建造超導托卡馬克。2006年，中國率先建起世界上第一臺全超導托卡馬克裝置——“東方超環(huán)（EAST）”。隨后，韓國也建起了全超導托卡馬克裝置“韓國之星（K-star）”。目前，歐盟、美國、俄羅斯、中國、日本、韓國和印度正聯(lián)合在法國建造一個更大的超導托卡馬克裝置——國際熱核聚變實驗堆（ITER）。

全超導的托卡馬克不斷刷新著已有非超導托卡馬克的運行紀錄，其穩(wěn)定運行時間由原來的幾秒鐘，被逐漸延長至幾十秒，幾百秒。未來，科學家們還將繼續(xù)努力，使運行時間達到數(shù)小時甚至全天。到那時，人類將建造起一座座核聚變電站，這些電站產(chǎn)生的電能可以滿足人類所有的生活需要。