最近，由中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國參加的國際熱核反應堆合作計劃（ITER）再次引起了人們的興趣。這個(gè)被稱(chēng)為 “人造太陽(yáng)”的熱核反應堆，不僅因為1.3萬(wàn)億日元的巨大投資引起了人們極大的關(guān)注，更因為若能在未來(lái)50年內開(kāi)發(fā)成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類(lèi)今后將擁有取之不盡、用之不竭的清潔能源。
直到19世紀末，隨放射性研究的開(kāi)啟，人們才開(kāi)始真正認識太陽(yáng)的神秘面貌。萬(wàn)物生長(cháng)靠太陽(yáng)，地球上所有生物的能源幾乎都來(lái)自于太陽(yáng)。人們也逐漸發(fā)現，太陽(yáng)能源來(lái)自其內部不斷的熱核聚變。隨熱核聚變的逐漸變弱，終有一天它也會(huì )消失在茫茫的宇宙中，變成一個(gè)黑洞或其他。
人類(lèi)失去太陽(yáng)，世界將會(huì )怎樣？
人類(lèi)的能源危機
事實(shí)上，人類(lèi)所依存的這個(gè)世界，能源枯竭已經(jīng)成為一個(gè)嚴重問(wèn)題。1973年以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)向地球索取了5000億桶（約合800億噸）石油，按現在的開(kāi)采速度算，剩下的石油只可保證44年需求，天然氣也只能持續開(kāi)采56年。200年之內，石油、煤、天然氣資源均面臨枯竭危險。20世紀后半葉，核能利用出現熱潮，各種類(lèi)型的核電站在世界范圍內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以釋放巨大能量。且不說(shuō)此類(lèi)型的核裂變電站引發(fā)的核污染噩夢(mèng)與其創(chuàng )造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲量也僅夠維持數百年之用。
中科院唐文江曾經(jīng)指出，我們現今所使用的能源，有些直接來(lái)自太陽(yáng)，有些是太陽(yáng)能轉化的能源；像水能、風(fēng)能、生物能，有些是早期由太陽(yáng)能轉化來(lái)的一直儲存在地球上的能源；像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類(lèi)社會(huì )發(fā)展到今天，僅靠太陽(yáng)給予的可用能源已經(jīng)不夠用了。人類(lèi)能源消耗快速增加，水能的開(kāi)發(fā)幾近到達極限，風(fēng)能、太陽(yáng)能無(wú)法形成規模。我們今天主要使用的化石燃料，再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對大氣造成了污染，增加了溫室氣體效應。要知道它們是太陽(yáng)和地球用了上億年才形成的，但只夠人類(lèi)使用三四百年，且它們是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人類(lèi)重要的自然資源，作為燃料燒掉是非?？上У?。人們無(wú)不擔心，煤和石油燒完了，其他能源又接替不上該怎么辦？能源危機開(kāi)始困擾著(zhù)人類(lèi)，人們一直在尋找各種可能的未來(lái)能源，以維持人類(lèi)社會(huì )的持續發(fā)展。
當人們抬頭望向太陽(yáng)的時(shí)候，熱核聚變給人們帶來(lái)了希望之光。人們將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實(shí)現和推廣，試圖建設利用氫的同位素氘和氚的原子核實(shí)現核聚變的熱核反應堆。
最初，劍橋卡文迪許實(shí)驗室的英國化學(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，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。幾乎同一時(shí)期，盧瑟福也提出，能量足夠大的輕核碰撞后，可能發(fā)生聚變反應。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?，并認為太陽(yáng)那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應。
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)家設想，如果實(shí)現人工控制下氫元素的核聚變反應即受控熱核反應，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)。
人造太陽(yáng)的實(shí)驗
科學(xué)家的設想在武器方面首先得到試驗。在二戰后，美國和蘇聯(lián)都研制成功一種遠比最初的原子彈厲害的摧毀性武器：氫彈。第一枚取名為“麥克”的氫彈于1952年11月l日在南太平洋的一個(gè)小島上爆炸。“麥克”是由一枚普通的鈾原子彈或者鈽彈同一定數量的液態(tài)氘和氚組成。為了保持氚的液態(tài)，氚被保存在零下200多攝氏度和180個(gè)大氣壓之下。氫彈里那個(gè)普通原子彈起的作用就像炸藥里的雷管，它保證使溫度達到幾百萬(wàn)攝氏度；在這個(gè)溫度下，重氫核組合在一起形成氦核。在一剎那間，“麥克”變成為一顆小型的、真實(shí)的人造太陽(yáng)，它的威力，是廣島的那顆原子彈威力的500倍。在后來(lái)的年代里，人們發(fā)展威力更大的氫彈，且采用新的制造方法。氫彈的威力當然可怕，但它也給人類(lèi)將來(lái)的能源需求帶來(lái)無(wú)限希望。
50年來(lái)，全世界共建造了上百個(gè)托卡馬克裝置，在改善磁場(chǎng)約束和等離子體加熱上下足功夫。托卡馬克是“磁線(xiàn)圈圓環(huán)室”的俄文縮寫(xiě)，又稱(chēng)環(huán)流器。這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”，像一個(gè)中空的面包圈，可用來(lái)約束電離子的等離子體。在上世紀70年代，人們對約束磁場(chǎng)研究有了重大進(jìn)展，通過(guò)改變約束磁場(chǎng)的分布和位形，解決了等離子體粒子的側向漂移問(wèn)題。此后世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個(gè)大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學(xué)建成的托卡馬克聚變實(shí)驗反應堆（TFTR）；歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）；日本1985年建成JT-60；蘇聯(lián)1982年建成的超導磁體的T-15；它們后來(lái)在磁約束聚變研究中作出了決定性的貢獻。特別是歐洲的JET已經(jīng)實(shí)現了氘、氚的聚變反應。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了3億攝氏度，聚變能量約束時(shí)間達2秒。反應持續1分鐘，產(chǎn)生了1018個(gè)聚變反應中子，聚變反應輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創(chuàng )造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新紀錄。這一輸出功率已達到當時(shí)輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達1.25。
中國的核聚變研究也有較快發(fā)展，西南物理研究院1984年建成中國環(huán)流器一號（HL-1），1995年建成中國環(huán)流器新一號。中國科學(xué)院等離子體物理研究所1995年建成超導裝置HT-7。HT-7是前蘇聯(lián)無(wú)償贈送給中國的一套縱向超導的托卡馬克實(shí)驗裝置，經(jīng)等離子體物理研究所的不斷改進(jìn)，它已成為一個(gè)龐大的實(shí)驗系統。特別是在2003年3月31日，實(shí)驗取得了重大突破，獲得超過(guò)1分鐘的等離子體放電，這是繼法國之后第二個(gè)能產(chǎn)生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7的基礎上，等離子體物理研究所研制和設計了全超導托卡馬克裝置HT-7U（后來(lái)名字更改為EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak）。
EAST又稱(chēng)“實(shí)驗型先進(jìn)超導托卡馬克”，是一臺全超導托卡馬克裝置，受?chē)H同行的矚目。后者普遍認為，EAST可能成為世界上第一個(gè)可實(shí)現穩態(tài)運行、具有全超導磁體和主動(dòng)冷卻第一壁結構的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導和非圓截面特性，更有利于科學(xué)家探索等離子體穩態(tài)先進(jìn)運行模式，其工程建設和物理研究將為“國際熱核聚變實(shí)驗堆”（ITER）的建設提供直接經(jīng)驗和基礎。
希望之光
2001年8月，日本和英國的科學(xué)家宣稱(chēng)，開(kāi)發(fā)出一種新方法，以至只需過(guò)去一半的能源就能引發(fā)核聚變反應。研究人員采取的是分別進(jìn)行燃料壓縮和加熱的“高速點(diǎn)火”方式，用新開(kāi)發(fā)的瞬間功率達10億兆瓦的激光裝置，成功把燃料等離子體加熱到1000萬(wàn)攝氏度。
2005年6月，在成都市雙流縣白家鎮，中國最早研究“人造太陽(yáng)”的科研機構——核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所。所長(cháng)劉永宣布，中國的“人造太陽(yáng)”已經(jīng)基本成型了。
在聚變科學(xué)所的實(shí)驗大樓里一個(gè)如運動(dòng)場(chǎng)般寬闊的房間，一個(gè)占據房間三分之二空間的龐然大物居中擺放著(zhù)，物件整體呈橢圓形，圓形邊緣四周延伸出幾個(gè)三角形的“角”，從上往下俯看，整體如一枚巨大的五角星形狀。在本世紀內，這顆中國太陽(yáng)將投入運行。
科幻小說(shuō)一般的場(chǎng)景，讓人們興奮不已。“但離真正的商業(yè)運行還有相當長(cháng)的時(shí)間，預計可能還要50年。”核工業(yè)西南物理研究院科技委主任嚴建成說(shuō)。比如ITER，盡管它已啟動(dòng)，但還只是一個(gè)實(shí)驗堆，后面還要經(jīng)歷“示范堆階段”、“商業(yè)堆階段”才能說(shuō)離應用不遠了，但每個(gè)階段的研究，都將經(jīng)過(guò)十多年。
確實(shí)，盡管ITER計劃采用最先進(jìn)的設計，但綜合以往的經(jīng)驗和成果，它的確還面臨重重挑戰。即使它能如期在2013年建成，這個(gè)10層樓高的龐大機器能否達到預期目標也還是個(gè)未知數。諸如探索新的加熱方式與機制為實(shí)現聚變點(diǎn)火、改善等離子體的約束性能、反常輸運與漲落現象研究等前沿課題，偏濾器的排灰、大破裂的防御、密度極限、長(cháng)脈沖H-模的維持、中心區雜質(zhì)積累等工程技術(shù)難關(guān)還有待于各國科技工作者群力攻關(guān)。即使對ITER的科學(xué)研究真的成功了，聚變發(fā)電站至少還要30年乣50年以后才能實(shí)現。
但希望之光必將成為燎原之火。在人造太陽(yáng)真正進(jìn)入生活前，人類(lèi)還將為之努力不止。
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