“人造太陽”初升

楊　天

ITER項目耗資將超過100億美元，作為參與國，中國將承擔10％的資金，它也是迄今為止，中國參與的最昂貴也最具挑戰性的大科學工程國際合作項目

赴合肥旅游的游客，經常被當地朋友邀請到市郊的“科學島”。這個面積不足3平方公里的小半島，遠離市區，三面環水，鳥語花香。但即使是當地市民也很少有人了解，這個島上有個神奇的裝置，它承載了一項關乎人類未來的重大科研項目——“人造太陽”。

“聽到‘人造太陽，你能想到什么?”央視《新聞會客廳》欄目記者，就此問題在街頭隨機采訪，答案千奇百怪：燈泡、玩具、藝術品……坐在演播廳現場的中國科學院等離子體物理研究所研究員萬元熙，對于人們這種“美麗的誤會”報以理解的微笑。

“‘人造太陽并不是像太陽一樣懸掛在天空，而是建造在地球上的受控熱核聚變反應堆或核聚變電站，它能像太陽一樣通過核聚變反應釋放能量，進而發電。”萬元熙解釋。

100年前，愛因斯坦預見到在原子核中蘊藏著巨大的能量。1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現，揭示了太陽“燃燒”的奧秘。

科學家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。而1升海水提取的氫的同位素氘，在完全的聚變反應中釋放的能量，相當于燃燒300升汽油釋放的熱能。如果把自然界中的氘用于聚變反應，釋放的能量足夠人類使用100億年。

于是，制造一個裝置，通過受控熱核聚變反應獲得無窮盡的新能源，成為萬元熙和全世界許多科學家的夢想。“這就相當于人類為自己制造一個或數個小太陽，源源不斷從核聚變中得到能量。”

科技部長發出“英雄帖”

整整3年前，一群中外科學家匯聚于合肥“科學島”。安靜的實驗大廳里，所有的人都緊盯著電腦屏幕。“真空”，“正常”；“低溫”，“正常”……在一連串指令對話中，我國最新一代核聚變實驗裝置首次放電，成功獲得電流超過500千安、時間近5秒的高溫等離子體放電。

裝置有個很拗口的名稱：全超導托卡馬克實驗裝置，英語簡稱EAST。使用這個裝置，其外圍大線圈和磁體會產生一個環形磁容器，在這個磁容器里面可以約束、加熱聚變的燃料，使之發生聚變反應。

EAST的核心裝置被安放在一棟封閉建筑物內。這是一個高12米、重400多噸的落地圓柱體大容器，這個“大鍋爐”似的裝置，被看作是“人造太陽”的原始雛形。

用來安置EAST的實驗大廳于2001年開始建造，至全部竣工，共耗時5年。頂層和天花板之間，灌注了1米深的水。“水是用來防中子輻射的。”負責EAST裝置“總控和數據采集”系統的專家、東華大學教授羅家融解釋說。大廳下方，還有4米深的地下室。

2007年1月15日，EAST再次放電成功。該裝置具有完整的自主知識產權，目前處于國際同類裝置領先水平，為中國全面參與即將建設的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃創造了良好的條件。

由29位國際聚變界權威人士組成的國際顧問委員，在評價意見中指出：“EAST是全世界聚變工程的非凡業績，是全世界聚變能開發的杰出成就和重要里程碑。”

早在1998年，我國就將研制全超導核聚變實驗裝置項目，列為“九五”期間6大科學工程之一。合肥的“科學島”成為實驗基地。

“聽說我們要用2000萬美元建造全超導核聚變裝置，國外沒有人相信，認為中國人只是嘴上說說而已。”等離子體研究所副所長武松濤曾在接受新華社記者采訪時回憶。

當時，實驗裝置上的零部件大部分在國內沒有生產。武松濤曾和同事去俄羅斯考察。想買幾百個如同圓珠筆大小的重要部件。對方一個零件1400美元的報價，讓他們瞠目結舌，最后決心自己動手做。

2006年，耗時8年、耗資2億元人民幣的世界第一座EAST裝置，在中科院等離子所建成。時任科技部部長的徐冠華向世界各國科學家發出“英雄帖”：歡迎到科學島來“做實驗”。

“這個裝置的研究成果，對即將建設的國際熱核聚變試驗堆ITER計劃的工程技術，以及物理基礎研究方面將有重大意義。”萬元熙評價。

另一種材料來自月亮

石油、天然氣儲量告急，尋找替代能源十分急迫。

核能分裂變能和聚變能兩種，上海交通大學核科學與系統工程系教授曹學武告訴《瞭望東方周刊》，未來占主導的能源將是核聚變能和太陽能。當前，上述兩種技術遠未成熟，而在對化石能源替代又很迫切的情況下，核裂變能是不可或缺的過渡。

但裂變需要的鈾、钚等重金屬元素儲量有限，其放射性也具有致命的危險。在實驗室中，聚變反應的優點被不斷發現——它產生的能量是核裂變的7倍，反應產物是無放射性污染的氦。更完美的是，未來的聚變電站會始終處于次臨界安全運行狀態，一旦出現意外，反應會自動停止，不會發生像三哩島和切爾諾貝利那樣的核泄漏事故。

成本低同樣是核聚變的優勢：1公斤濃縮鈾的成本約為1.2萬美元，而1公斤氘僅需300美元。

聚變的優勢還在于效率。科學家們一致看好使用氦3，聲稱全世界眼下一年所消耗的電力，只需100噸氦3就能解決。哪里能找到氦3?答案是月亮。那里的土壤含有多達100萬噸的核聚變燃料。

“人造太陽”項目一旦實現商用化，人類將不必再擔心能源問題。

7方聯手為人類尋找潔凈能源

上個世紀50年代初，美國和蘇聯率先開始秘密研究可控核聚變，然而隨著研究的深入，理論和技術上遭遇重重障礙。自此，各國認識到，只有開展廣泛的國際合作，才是加速實現核聚變能利用的唯一可行之路。熱核聚變技術是冷戰時期各國仍舊保持互通有無的特例。

科學家們希望，能夠創造一個類似于太陽環境的裝置，但其困難程度遠遠超出預想。如果讓氘和氚發生聚變反應，環境溫度必須達到1億攝氏度以上。在這樣的高溫下，要把氘氚氣體約束在一起，什么材料能做成容器?

1969年，蘇聯科學家提出了“托卡馬克”的概念。就是利用環形封閉磁場組成的“磁籠”，把那些灼熱的處于等離子狀態的燃料約束起來——這成為“人造太陽”工程的主體。

2006年11月，來自歐盟、美國、中國、日本、印度、俄羅斯和韓國的7方代表在法國巴黎舉行的國際熱核聚變實驗反應堆計劃(簡稱“ITER”)的會議上，正式簽署了聯合實驗協定，“人造太陽”計劃正式啟動。占世界人口一半左右的7方，聯合為全人類尋找新的潔凈能源，其意義不亞于人類基因工程和建造國際空間站。

ITER項目耗資將超過100億美元，作為參與國，中國將承擔10％的資金，它也是迄今為止，中國參與的最昂貴也最具挑戰性的大科學工程國際合作項目。

“ITER”在拉丁文中意為“道路”，它并非坦途，而是布滿荊棘。

人們本來設想，有了“磁籠”(托卡馬克)，只需把氘、氚放入爐內加火烤制，把握好“火候”，能量就應該流出來。其實不然。人們接著遇到的麻煩是，在加熱等離子體的過程中能量耗散嚴重，溫度越高，耗散越大。一方面，高溫下粒子的碰撞使等離子體的粒子一步一步地橫越磁力線，攜帶能量逃逸；另一方面，高溫下的電磁輻射也要帶走能量。這樣，要想把氘、氚等離子體加熱到所需的溫度，不是件容易的事。

2008年開始，ITER計劃進入正式實施階段，實驗堆在法國卡達拉合動工建造。計劃預計持續35年，前10年用于建設反應堆；后20年用于操作實驗；最后5年是將實驗的反應堆活化、拆除。

“和現在的EAST相比，ITER裝置要大5倍。”羅家融說。

“ITER一旦建成，就表明人類向核聚變發電邁進了很好的一步。”曹學武告訴本刊記者，無論是EAST，還是即將動工的ITER裝置，它們都只是實驗堆，離真正的商業運行還很遙遠。在投入商業運行之前，還需要經過實驗堆、預研堆、商業堆三個階段。每個階段的研究，都需要漫長的研究攻關。

到2019年的未來十年中，中國將在“科學島”EAST裝置上進行前期研究開發，為ITER裝置的運行和開發做好相關準備。來自中國的各類部件，將根據需求不斷運往法國卡達拉合，為人類的又一次能源革命奠定基礎。