人造太陽，科幻或將成現實

杭蘇

旨在最終解決人類能源問題的宏大計劃正在推進，這一計劃的正式名稱是國際熱核聚變實驗堆項目，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電技術，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“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”外，發達國家美國、日本、德國，包括中國在內都有自己的反應堆項目備份。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，這些“人造太陽”將會實現商業化發電。

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。斗轉星移、滄海桑田，直到19世紀末，放射性研究的開啟才真正將人類引領到太陽迷宮的門外，而核聚變的發現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合撰文，證明氫原子聚變為氦的可能性，并認為太陽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，太陽發出的能量來自組成太陽的無數的氫原子核。在太陽中心的超高溫和超高壓下，這些氫原子核相互作用，發生核聚變，結合成較重的氦原子核，同時釋放出巨大的光和熱。于是，科學家設想，如果實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。在太陽的中心，溫度高達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室相當于一個裝高溫等離子體的爐子，最受考驗的是直接面向高溫等離子體的內壁，即第一壁材料。氘氚聚變反應產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）等，強烈地作用于第一壁。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，科學家發現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，可否用磁場構造一個“磁容器”來盛裝？于是，前蘇聯科學家提出了“托卡馬克”的概念。托卡馬克（TOKAMAK）在俄語中是“環形”“真空”“磁”“線圈”幾個詞的組合，即“環流磁真空室”的縮寫。那就是利用環形封閉磁場組成的“磁籠”，其外面大量的大線圈和磁體會產生一個環形的磁容器，在這個磁容器里面約束、加熱聚變的燃料，讓它發生聚變反應。但是又一個問題難住了科學家，如果使用磁容器，將至少需要100萬噸磁鐵。于是科學家又想到了磁場很強大的電磁鐵，但是使用電磁鐵也至少需要1萬噸，這可難住了科學家們，經過40多年的努力，科學家發現超導體擁有特別強大的磁場，效率是磁鐵的幾萬倍。

2008年開始，“人造太陽”計劃進入正式實施階段，整個計劃預計持續35年，在2018年之前主要是建設反應堆；在2038年之前結束操作實驗；并在2043年將實驗的反應堆拆除。在今后30年間，這個“人造太陽”的實驗堆將耗資100億歐元以上。中國最終承擔占總投資9%的費用，約合100億元人民幣。“人造太陽”每年需要大約3600萬元的運行費，它一旦運行，就必須要持續2個月，平均每天要花費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。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？樂觀者預測未來50年內有望揭開能源的終極秘密；悲觀者則表現出很大的擔憂，似乎看到了人類對新能源急功近利的掠奪心態。

科學狂人的瘋狂之舉

人們認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，給人類帶來的是災難。而科學家們卻希望發明一種裝置，可以有效地控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續穩定地輸出。在人類比較了解的核聚變反應中，氫的兩種同位素氘和氚的聚變效率最高，氘和氚結合變成氦，同時能釋放出巨大的能量。這些能量經轉化后，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”項目一旦實現，人類將不必再擔心能源問題。只要往設備中不斷輸入氘和氚，在里面發生聚變反應，它就能源源不斷地釋放出能量，而氘、氚可以從海水中提取，廉價而且數量豐富。從1升海水中提取的氘和氚，如果實現完全的聚變反應，釋放出的能量相當于燃燒600升汽油所獲能量。另外核聚變反應不產生溫室氣體及核廢料，原料幾乎取之不盡，幾乎不會危害環境。因此，設備也就永遠轉下去。未來的穩態運行的熱核聚變堆用于商業運行后，所產生的能量夠人類用數億年乃至數10億年。從長遠來看，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生，但在太陽上，核聚變每時每刻都在發生，它的發生需要高溫狀態。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展。在太陽的中心，溫度高達2000萬℃，氣壓達到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裝置，無休止地向外輻射著能量。科學家希望，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了他們最初的預計。核聚變的難度比核裂變要大得多，因為要讓氘和氚發生聚變反應，氘和氚所處的環境溫度必須達到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。一旦某個環節出現問題，燃料溫度下降，聚變反應就會自動中止。

另外，“人造太陽”還面臨著兩大問題：一是如何讓高溫持續地產生；二是材料的問題。把材料加熱1億℃，維持1秒鐘沒有問題，常規熱核聚變堆可以到5秒、10秒，超導熱核聚變堆可以到100秒、1000秒。問題是1000秒以后能否持續高溫？如何保持連續的穩態的高溫？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？最后要連續運行，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堆，中空的金屬腔型結構，加熱等效溫度為1.5億℃。托卡馬克裝置設計存在一些安全風險，比如磁場可能存在干擾，如果中斷釋放的強大磁力可摧毀反應堆。因此德國科學家利用更先進的“人造太陽”Wendelstein 7-x核聚變堆實現聚變，研究人員大衛-安德森認為德國“人造太陽”會讓全世界矚目，對于托卡馬克裝置的科學家而言，更先進的德國“人造太陽”顯然會令人眼前一亮。德國科學家使用兩種氫原子實現反應，分別為氘和氚，注入氣體密封裝置內。利用強磁場讓高溫等離子體遠離腔壁，周圍是超導線圈，能夠形成磁場約束等離子體的行為，同時科學家利用電流在驅動等離子體。當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。

德國科學家準備啟動的核聚變堆能夠運行30分鐘的超熱等離子體，研究人員聲稱該裝置有助于實現核聚變能量的可控使用，實驗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家認為德國的“人造太陽”是一種更實際的選擇，可以克服托卡馬克反應堆的安全問題。在托卡馬克反應堆中，用兩套磁鐵控制等離子體，外部設置了真空室，內部為變壓區驅動電路的等離子體，這會導致強磁場在中心位比周圍更強，一旦等離子體移到外空腔外圍，就可能發生崩潰。德國“人造太陽”沒有這個問題，隨著超級計算機和新材料的使用，可控核聚變在本世紀將變成現實。

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境污染的加劇，督促人類尋找清潔、高效并具備大規模推廣潛能的能源。不過，在這樣的大背景下，“人造太陽”計劃的意義顯而易見。

（責任編輯：曹偉 責任校對：司明婧）