杭蘇

旨在最終解決人類能源問題的宏大計劃正在推進(jìn)，這一計劃的正式名稱是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項目，俗稱“人造太陽”計劃。人類一直以來孜孜不倦地追求核聚變能源發(fā)電技術(shù)，這種清潔、安全的能源形式最終將會被馴服。世界上除了舉世矚目的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計劃”外，發(fā)達(dá)國家美國、日本、德國，包括中國在內(nèi)都有自己的反應(yīng)堆項目備份。比較著名的是中國的EAST、日本的JT60SA、以及德國的Wendelstein7-x等。未來30年內(nèi)，這些“人造太陽”將會實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電。

來自太陽的靈感

太陽，高懸九天之上，溫暖而燦爛。其永恒放射的萬丈光焰自古幻為我們祖先崇拜的圖騰，成為人類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”。

1929年，英國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?，并認(rèn)為太陽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)，太陽發(fā)出的能量來自組成太陽的無數(shù)的氫原子核。在太陽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)造出一個個具有不竭能量的人造太陽。

“海水變汽油”，還需要多久？

核聚變裝置的工作原理和太陽有著異曲同工之妙，太陽巨大的能量來自核聚變反應(yīng)。在太陽的中心，溫度高達(dá)2000萬℃，在高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并釋放出大量能量。

核聚變裝置的真空反應(yīng)室相當(dāng)于一個裝高溫等離子體的爐子，最受考驗(yàn)的是直接面向高溫等離子體的內(nèi)壁，即第一壁材料。氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量的高能中子和α粒子、電磁輻射，它們和等離子體離子、快原子和其他從等離子體逃逸出的粒子（氘、氚和雜質(zhì)）等，強(qiáng)烈地作用于第一壁。用什么材料制成的容器能夠盛裝上億度的高溫材料？這成為最主要的難題。到目前為止，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)沒有任何一種容器能夠承受上億度的高溫。耐火磚、不銹鋼等都不可行，必須采用特殊方式來約束聚變材料。

能裝“太陽”的托卡馬克

既然沒有任何器皿能盛裝上億度高溫的等離子體聚變材料，可否用磁場構(gòu)造一個“磁容器”來盛裝？于是，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出了“托卡馬克”的概念。托卡馬克（TOKAMAK）在俄語中是“環(huán)形”“真空”“磁”“線圈”幾個詞的組合，即“環(huán)流磁真空室”的縮寫。那就是利用環(huán)形封閉磁場組成的“磁籠”，其外面大量的大線圈和磁體會產(chǎn)生一個環(huán)形的磁容器，在這個磁容器里面約束、加熱聚變的燃料，讓它發(fā)生聚變反應(yīng)。但是又一個問題難住了科學(xué)家，如果使用磁容器，將至少需要100萬噸磁鐵。于是科學(xué)家又想到了磁場很強(qiáng)大的電磁鐵，但是使用電磁鐵也至少需要1萬噸，這可難住了科學(xué)家們，經(jīng)過40多年的努力，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體擁有特別強(qiáng)大的磁場，效率是磁鐵的幾萬倍。

2008年開始，“人造太陽”計劃進(jìn)入正式實(shí)施階段，整個計劃預(yù)計持續(xù)35年，在2018年之前主要是建設(shè)反應(yīng)堆；在2038年之前結(jié)束操作實(shí)驗(yàn)；并在2043年將實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)堆拆除。在今后30年間，這個“人造太陽”的實(shí)驗(yàn)堆將耗資100億歐元以上。中國最終承擔(dān)占總投資9%的費(fèi)用，約合100億元人民幣?！叭嗽焯枴泵磕晷枰蠹s3600萬元的運(yùn)行費(fèi)，它一旦運(yùn)行，就必須要持續(xù)2個月，平均每天要花費(fèi)50萬元左右。毫無疑問，這是一場時間和金錢都消耗巨大的持久戰(zhàn)。這個向大自然盜取“天火”的計劃背后有太多的不可知，這個巨大的力量會不會超出人類的掌控？樂觀者預(yù)測未來50年內(nèi)有望揭開能源的終極秘密；悲觀者則表現(xiàn)出很大的擔(dān)憂，似乎看到了人類對新能源急功近利的掠奪心態(tài)。

科學(xué)狂人的瘋狂之舉

人們認(rèn)識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時釋放出極大的能量，給人類帶來的是災(zāi)難。而科學(xué)家們卻希望發(fā)明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定地輸出。在人類比較了解的核聚變反應(yīng)中，氫的兩種同位素氘和氚的聚變效率最高，氘和氚結(jié)合變成氦，同時能釋放出巨大的能量。這些能量經(jīng)轉(zhuǎn)化后，可以成為電能等各種能量，這就是“人造太陽”的原理。

“人造太陽”項目一旦實(shí)現(xiàn)，人類將不必再擔(dān)心能源問題。只要往設(shè)備中不斷輸入氘和氚，在里面發(fā)生聚變反應(yīng)，它就能源源不斷地釋放出能量，而氘、氚可以從海水中提取，廉價而且數(shù)量豐富。從1升海水中提取的氘和氚，如果實(shí)現(xiàn)完全的聚變反應(yīng)，釋放出的能量相當(dāng)于燃燒600升汽油所獲能量。另外核聚變反應(yīng)不產(chǎn)生溫室氣體及核廢料，原料幾乎取之不盡，幾乎不會危害環(huán)境。因此，設(shè)備也就永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)下去。未來的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的熱核聚變堆用于商業(yè)運(yùn)行后，所產(chǎn)生的能量夠人類用數(shù)億年乃至數(shù)10億年。從長遠(yuǎn)來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類將從“石油文明”走向“核能文明”。

核聚變在地球上很少發(fā)生，但在太陽上，核聚變每時每刻都在發(fā)生，它的發(fā)生需要高溫狀態(tài)。億萬年來，地球上的萬物靠著太陽源源不斷的能量維持自身的發(fā)展。在太陽的中心，溫度高達(dá)2000萬℃，氣壓達(dá)到3000多億個大氣壓。在這樣的高溫、高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出巨大能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應(yīng)裝置，無休止地向外輻射著能量?？茖W(xué)家希望，能夠創(chuàng)造一個類似于太陽環(huán)境的裝置，但其困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們最初的預(yù)計。核聚變的難度比核裂變要大得多，因?yàn)橐岆碗鞍l(fā)生聚變反應(yīng)，氘和氚所處的環(huán)境溫度必須達(dá)到1億℃以上。在這樣的高溫下，拿什么樣的容器把高溫下的氘、氚氣體約束在一起？這樣高的溫度，任何材料都注定無法承受。一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，燃料溫度下降，聚變反應(yīng)就會自動中止。

另外，“人造太陽”還面臨著兩大問題：一是如何讓高溫持續(xù)地產(chǎn)生；二是材料的問題。把材料加熱1億℃，維持1秒鐘沒有問題，常規(guī)熱核聚變堆可以到5秒、10秒，超導(dǎo)熱核聚變堆可以到100秒、1000秒。問題是1000秒以后能否持續(xù)高溫？如何保持連續(xù)的穩(wěn)態(tài)的高溫？還有就是材料的承受能力，10秒鐘沒有問題，100秒、1000秒有沒有問題？最后要連續(xù)運(yùn)行，材料能承受嗎？另外材料如何更換？材料損耗有多快？這將是兩個非常重大的難題。超越托卡馬克

最常見的核聚變堆為托卡馬克反應(yīng)堆，中空的金屬腔型結(jié)構(gòu)，加熱等效溫度為1.5億℃。托卡馬克裝置設(shè)計存在一些安全風(fēng)險，比如磁場可能存在干擾，如果中斷釋放的強(qiáng)大磁力可摧毀反應(yīng)堆。因此德國科學(xué)家利用更先進(jìn)的“人造太陽”Wendelstein 7-x核聚變堆實(shí)現(xiàn)聚變，研究人員大衛(wèi)-安德森認(rèn)為德國“人造太陽”會讓全世界矚目，對于托卡馬克裝置的科學(xué)家而言，更先進(jìn)的德國“人造太陽”顯然會令人眼前一亮。德國科學(xué)家使用兩種氫原子實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，分別為氘和氚，注入氣體密封裝置內(nèi)。利用強(qiáng)磁場讓高溫等離子體遠(yuǎn)離腔壁，周圍是超導(dǎo)線圈，能夠形成磁場約束等離子體的行為，同時科學(xué)家利用電流在驅(qū)動等離子體。當(dāng)氘和氚原子核融合后，可形成大量的能量，整個核聚變裝置類似一個甜甜圈。

德國科學(xué)家準(zhǔn)備啟動的核聚變堆能夠運(yùn)行30分鐘的超熱等離子體，研究人員聲稱該裝置有助于實(shí)現(xiàn)核聚變能量的可控使用，實(shí)驗(yàn)室位于德國格賴夫斯瓦爾德。

德國馬克斯-普朗克研究所的科學(xué)家認(rèn)為德國的“人造太陽”是一種更實(shí)際的選擇，可以克服托卡馬克反應(yīng)堆的安全問題。在托卡馬克反應(yīng)堆中，用兩套磁鐵控制等離子體，外部設(shè)置了真空室，內(nèi)部為變壓區(qū)驅(qū)動電路的等離子體，這會導(dǎo)致強(qiáng)磁場在中心位比周圍更強(qiáng)，一旦等離子體移到外空腔外圍，就可能發(fā)生崩潰。德國“人造太陽”沒有這個問題，隨著超級計算機(jī)和新材料的使用，可控核聚變在本世紀(jì)將變成現(xiàn)實(shí)。

國際原油價格的高漲，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源獲得的有限性以及環(huán)境污染的加劇，督促人類尋找清潔、高效并具備大規(guī)模推廣潛能的能源。不過，在這樣的大背景下，“人造太陽”計劃的意義顯而易見。

（責(zé)任編輯：曹偉 責(zé)任校對：司明婧）