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 信息時(shí)報(bào)
 


圖為：熱核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)裝置究竟有多大？

圖為：“國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆”計(jì)劃(ITER)的宣傳海報(bào)：“為了下一代有能源可用，我們需要熱核能?！?BR> 　　此“太陽(yáng)”天上無(wú)，地上有。

　　自從第一次石油危機(jī)以來(lái)，世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展節(jié)能技術(shù)，但是人類目前可利用的能源資源畢竟有限，主要能源將在未來(lái)幾十年至100多年的時(shí)間內(nèi)枯竭。今后幾十年里，世界各國(guó)為爭(zhēng)奪石油資源將不可避免發(fā)生國(guó)家間的沖突乃至戰(zhàn)爭(zhēng)，最近的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)就是爭(zhēng)奪石油資源最好的例子。同時(shí)傳統(tǒng)能源還會(huì)帶來(lái)環(huán)境問題，如溫室氣體的增加可引起氣候變化等。
而核電站放射性物質(zhì)泄漏事故，核燃料埋藏處理等終究會(huì)給人來(lái)帶來(lái)隱患。

　　最近，由中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本、俄羅斯、韓國(guó)參加的國(guó)際熱核反應(yīng)堆合作計(jì)劃(ITER)因其最終選址問題再次引起了人們的興趣。這個(gè)被稱為人造太陽(yáng)的熱核反應(yīng)堆，不僅因?yàn)?.3萬(wàn)億日元的巨大投資引起了人們極大的關(guān)注，更因?yàn)槿缒茉谖磥?lái)50年內(nèi)開發(fā)成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類今后將擁有取之不盡、用之不竭的清潔能源。

　　來(lái)自太陽(yáng)的靈感

　　太陽(yáng)，高懸九天之上，溫暖而燦爛。其永恒放射的萬(wàn)丈光焰自古幻為我們祖先崇拜的圖騰，大腦中揮之不去的謎團(tuán)。斗轉(zhuǎn)星移，滄海桑田，直到19世紀(jì)末，放射性研究的開啟才真正將人類引領(lǐng)到太陽(yáng)迷宮的門外，而核聚變的發(fā)現(xiàn)終于使人類喊出了那一聲響亮的“芝麻開門”。

　　最初，劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家阿斯頓，在用自己創(chuàng)制的攝譜儀從事同位素研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，氦-4質(zhì)量比組成氦的4個(gè)氫原子質(zhì)量之和大約小1%左右。1929年，英國(guó)的阿特金森和奧地利的奧特斯曼聯(lián)合撰文，證明氫原子聚變?yōu)楹さ目赡苄裕⒄J(rèn)為太陽(yáng)那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應(yīng)。

　　隨后的研究證實(shí)，太陽(yáng)發(fā)出的能量來(lái)自組成太陽(yáng)的無(wú)數(shù)的氫原子核。在太陽(yáng)中心的超高溫和超高壓下，這些氫原子核相互作用，發(fā)生核聚變，結(jié)合成較重的氦原子核，同時(shí)釋放出巨大的光和熱。于是，科學(xué)家設(shè)想，如果實(shí)現(xiàn)人工控制下氫元素的核聚變反應(yīng)即受控?zé)岷朔磻?yīng)，那么在地球上同樣可以創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)具有不竭能量的人造太陽(yáng)。

　　在地球上造太陽(yáng)并非科學(xué)狂人的瘋狂之舉，而是人類自身生存的必需。200年之內(nèi)，石油、煤、天然氣資源均面臨枯竭的危險(xiǎn)。20世紀(jì)后半葉，核能利用出現(xiàn)熱潮，各種類型的核電站在世界范圍內(nèi)得到了異常迅速的發(fā)展。但目前所有核電站的原理，都是利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變，來(lái)釋放巨大能量的。且不說(shuō)這種類型的裂變電站引發(fā)的核污染噩夢(mèng)與之創(chuàng)造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲(chǔ)量也僅夠維持?jǐn)?shù)百年之用。

　　因此，人類不得不再次將索求的目光投向太陽(yáng)，并將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實(shí)現(xiàn)和推廣，試圖建設(shè)利用氫的同位素氘和氚的原子核實(shí)現(xiàn)核聚變的熱核反應(yīng)堆。

　　熱核聚變所用的重要核燃料是氘。一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克。據(jù)測(cè)，每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油，就是說(shuō)，“1升海水約等于300升汽油”。地球上海水中有45萬(wàn)億噸氘，足夠人類使用60億年。

　　更為可貴的是核聚變反應(yīng)中幾乎不存在放射性污染，無(wú)需擔(dān)憂失控，不會(huì)發(fā)生爆炸，是一種真正無(wú)限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。

　　其實(shí)，人類早已實(shí)現(xiàn)了氘氚核聚變———?dú)鋸棻?，但那種不可控制的瞬間能量釋放只會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)難，而馴服核能，使核聚變?cè)谌藶榭刂葡聻槿祟惙?wù)卻是件異常艱難的事。時(shí)至今日，人們?cè)絹?lái)越清醒地認(rèn)識(shí)到，受控核聚變實(shí)現(xiàn)之日方是我們真正擺脫能源危機(jī)之時(shí)。

　　人造幾億攝氏度高溫

　　早在1938年，人們就發(fā)現(xiàn)了核聚變。然而，距1942年第一座核裂變反應(yīng)堆建成已半個(gè)多世紀(jì)了，受控聚變還是遲遲沒有實(shí)現(xiàn)有益的能量輸出。

　　如此舉步維艱的根本原因，是輕元素原子核的聚合遠(yuǎn)比重元素原子核的分裂困難得多。

　　都帶正電的原子核間既彼此吸引又互相排斥，當(dāng)兩個(gè)原子核之間相距只有約萬(wàn)億分之三毫米時(shí)，它們之間的吸引力才會(huì)大于靜電斥力，兩個(gè)原子核也才可能聚合到一起同時(shí)釋放出巨大的能量。而滿足這樣的條件需要的是幾千萬(wàn)甚至幾億攝氏度的高溫。

　　人類要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過程。比較切實(shí)可行的控制辦法是通過控制核聚變?nèi)剂系募尤胨俣燃懊恳淮蔚募尤肓浚购司圩兎磻?yīng)按一定的規(guī)模連續(xù)或有節(jié)奏地進(jìn)行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬(wàn)分之一，而且對(duì)能量的約束也要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。也就是說(shuō)，我們無(wú)法簡(jiǎn)單模擬太陽(yáng)中心那樣高的等離子體密度和上億的溫度，只有追求比太陽(yáng)中心更高的溫度來(lái)解決碰撞幾率問題。創(chuàng)造這樣苛刻的環(huán)境在技術(shù)上的難度就可想而知。還有，超高溫的等離子體，有強(qiáng)烈地向外擴(kuò)張的特性，必須有極強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)約束住它們，絕對(duì)不讓它們與四周容器壁接觸，試想，怎樣的材料才能裝進(jìn)“太陽(yáng)”而不自身化為烏有？

　　20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得了重大的進(jìn)展，而托卡馬克類型的磁約束研究更是一路領(lǐng)先，并成為世界上第一座熱核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

　　制成能裝“太陽(yáng)”的容器

　　這個(gè)能將幾千萬(wàn)、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)———人造太陽(yáng)，置入其中的托卡馬克究竟身為何物？

　　托卡馬克(TOKAMAK)在俄語(yǔ)中是“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個(gè)詞的組合，即環(huán)流磁真空室的縮寫。

　　曾因成功解釋切倫科夫輻射現(xiàn)象獲1958年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的蘇聯(lián)著名物理學(xué)家塔姆，早在20世紀(jì)50年代初，就提出了用環(huán)形強(qiáng)磁場(chǎng)約束高溫等離子體的設(shè)想。

　　他認(rèn)為，把強(qiáng)電流產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)與環(huán)形磁場(chǎng)相結(jié)合，可望實(shí)現(xiàn)高溫等離子體的磁約束。受這一思想的啟發(fā)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們?cè)诃h(huán)形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室形成環(huán)形磁場(chǎng)。與此同時(shí)，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場(chǎng)。后來(lái)又利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，還改進(jìn)了線圈的工藝，增加了匝數(shù)，改進(jìn)了磁場(chǎng)位形，最后成功地建成了一個(gè)高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克。

　　具有奇特旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位形的托卡馬克的出現(xiàn)，使受控核聚變研究取得了重大的進(jìn)展。自20世紀(jì)70年代起，世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美、歐、日、蘇建造了四個(gè)大型托卡馬克，中國(guó)科學(xué)院物理所繼第一臺(tái)小型托卡馬克CT-6于1975年投入運(yùn)行后，1984年6月，又建成了中國(guó)環(huán)流1號(hào)(HL-1)。2002年12月，中國(guó)環(huán)流器2號(hào)A，在成都核工業(yè)西南物理研究院建成并投入運(yùn)行。

　　目前，全世界有30多個(gè)國(guó)家及地區(qū)開展了核聚變研究，運(yùn)行的托卡馬克裝置至少有幾十個(gè)。

　　毋庸諱言，ITER計(jì)劃還處于籌備與起步階段，遙望太陽(yáng)騰空之處依舊是層疊群山。但是，迎接挑戰(zhàn)是人類進(jìn)步的重要原動(dòng)力。我們有理由相信，不遠(yuǎn)的將來(lái)，世界各國(guó)的聚變精英定會(huì)不負(fù)使命，在托卡馬克之中變出個(gè)太陽(yáng)給你看。