“東方超環”核聚變實驗裝置

張素貞

人類曾賴以生存的傳統能源——煤炭、石油、天然氣正在逐漸枯竭，據預測，它們的服務時間最多只夠再維持兩三百年。面對如此嚴峻的“能源危機”，人類將視線轉移到太陽能、風能、水能、海洋能、生物質能等新能源上，但因技術和自然因素的限制，其產生的能量仍無法滿足人類需求。

一籌莫展之際，人類從太陽身上得到了靈感。每天都在發光發熱的太陽擁有無窮的能量，而給予它能量的正是太陽核心所發生的核聚變反應，科學家便由此聯想到人為制造核聚變反應，從而釋放出可以為人類所用的能量。氫彈就是人類已經實現的一種核聚變反應產物，但氫彈的問題是能量緩釋無法控制，所以它爆炸的一瞬間形成了可以毀滅地球的殺傷力。為了將這種具有強大殺傷力的能量轉化為可以為人類所用的能源，一系列受控熱核聚變能的研究相繼展開。

我國科技工作者獨立設計制造的“東方超環”核聚變實驗裝置，是世界首個全超導托卡馬克裝置，通過將反應原料加熱到上億攝氏度（比太陽核心溫度高十倍）來實現可控核聚變反應。因為這一實驗的反應原理與太陽相同，因此也被稱為“人造太陽”項目。

診斷系統

“東方超環”在進行實驗時，科學家們需要全程監控它的各項反應參數。然而由于“超高溫度”造成的極限環境很難直接測量，科學家們就“迂回”地采用光譜分析來推導里面的各項參數數據。這種方法很像醫生通過聽診來判斷人體內的健康情況，因此將極限環境下的測量系統稱為診斷系統。

微波加熱系統

采取家用微波爐的微波共振原理，通過數萬倍于家用微波爐的加熱功率將聚變燃料的溫度加熱到上億攝氏度，以達到核聚變所需的反應溫度（相當于數萬個家用微波爐同時運轉）。

電流引線系統

將變電站中的“超大電流”（家用電流的1萬倍）輸入到“東方超環”的通電線圈中，以此產生“超強磁場”。因該系統須暴露在室溫環境下，無法使用超導材料，所以電流引線很粗，并且外面還包覆一層水循環冷卻系統來降低溫度。

低溫分配系統

為“東方超環”上的超導材料分配低溫冷卻劑（主要是零下269攝氏度的液氦），使超導導體達到所需的低溫，從而實現“超大電流”在超導材料上“無阻礙”地通過。

抽真空系統

“東方超環”同時存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個極限溫度，真空是有效隔熱的主要手段，也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變燃料的基礎。抽真空系統可以將整個裝置主機內抽成需要的真空環境，為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎，并為核聚變反應提供純凈環境。

中性束注入系統

利用中性粒子不受磁場控制的原理，將加速后具有巨大動能的中性粒子與帶電粒子進行碰撞來傳遞能量，從而加熱聚變材料。

“東方超環”上的“超級”環境

超級熱的核心溫度

“東方超環”上的核心溫度很高，因為只有達到1億攝氏度以上，才具備實現核聚變反應的條件。而太陽的核心溫度才1500萬攝氏度，也就是說，“東方超環”的核心溫度比太陽還要高上數倍。在如此高的溫度下，所有物質都會以物質的第四種狀態（即等離子體）存在。這些超高溫的等離子體會像脫韁的野馬一樣四處逃竄，足以燒蝕任何固態物質。所以，必須要制造出一種可以控制這些“等離子體”的“超級容器”來限制它們的運動。那么，這個“超級容器”是什么呢？

先進超導托卡馬克實驗裝置的等離子體

超級強的控制磁場

等離子體是一種內部帶電的特殊氣體。科學家們利用其帶電特性，用一種“強磁場”來實現對這種極高溫氣體的控制。在“東方超環”上，這種磁場的強度可以達到地球磁場的10萬倍。強磁場的磁感線像一條條無形的“鎖鏈”，將高速運動的等離子體粒子牢牢地“拴”住，從而實現對超高溫等離子體的約束，避免這些超高溫度的等離子體將裝置燒毀。那么，如此強大的磁場要如何產生？

超級大的通電電流

超強的磁場由超大的電流產生。“東方超環”上產生的電流最大可達家用電的1萬多倍。對于這么大的電流，承載的導線要做到很粗才不會被燒斷，但與此同時，能量也會在導線上白白損耗掉。為了解決這一問題，“東方超環”采用了超導導線。超導具有在低溫狀態下電阻消失的特性。因為沒有了電阻，所以無論多大的電流通過，都不會產生發熱現象。這樣一來，“東方超環”所使用的導線就能變得很細了。那么，如何在“東方超環”上營造低溫環境？

等離子容器內部

超級冷的超導線圈

為了使超導導線持續穩定地處在超導狀態，“東方超環”上的導線是浸入在零下269攝氏度的液氦中的。也就是說，在“東方超環”上，不僅存在1億攝氏度的超高溫，還存在零下269攝氏度的超低溫，而這兩個極限溫度之間的距離只有一米多遠。這么高的溫差對裝置材料的損傷很大。為了消除極大溫度差異對部件材料的影響，“東方超環”的各個部件都處于真空狀態，以減少部件之間的熱傳導。

超級凈的真空環境

真空是一種非常稀薄的氣體，由于里面的粒子密度很低，熱傳導很慢，所以真空有著比較優良的隔熱性能。在我們日常生活中，用來盛放開水的暖水瓶應用的就是真空隔熱的原理。只不過，暖水瓶的瓶身真空度比較低，而“東方超環”的真空度則高得多。在“東方超環”的核心，真空度維持在大氣壓的一千億分之一左右，而且，“東方超環”的真空環境是非常潔凈的。

國際熱核聚變實驗反應堆（ITER） 示意圖，以紅圈中的兩米高人形作為參照物來顯示其大小

國際核聚變研究發展概況

對于核聚變裝置來說，磁場形狀是多樣的。目前，國際上主要采用一種像甜甜圈的圓環形“磁籠子”來進行核聚變實驗，這種環形裝置有個通用的名字——托卡馬克。

20世紀50至60年代，蘇聯科學家首次提出了托卡馬克的概念，并建造了世界上第一臺托卡馬克裝置，取名T-1。在這之后，世界各國的科學家相繼建造了大大小小超過100座托卡馬克裝置，實驗參數也在不斷刷新。

為了實現托卡馬克長時間穩定運行，科學家引入“超導”概念，開始建造超導托卡馬克。2006年，中國率先建起世界上第一臺全超導托卡馬克裝置——“東方超環（EAST）”。隨后，韓國也建起了全超導托卡馬克裝置“韓國之星（K-star）”。目前，歐盟、美國、俄羅斯、中國、日本、韓國和印度正聯合在法國建造一個更大的超導托卡馬克裝置——國際熱核聚變實驗堆（ITER）。

全超導的托卡馬克不斷刷新著已有非超導托卡馬克的運行紀錄，其穩定運行時間由原來的幾秒鐘，被逐漸延長至幾十秒，幾百秒。未來，科學家們還將繼續努力，使運行時間達到數小時甚至全天。到那時，人類將建造起一座座核聚變電站，這些電站產生的電能可以滿足人類所有的生活需要。