第三節(jié)　理想清潔能源——“人造太陽”

以煤、石油、天然氣為代表的化石能源終將枯竭，基于核裂變反應的核裂變能源也由于安全性和核廢料的處理等問題而不盡如人意。人類期待著新的能源。受控熱核聚變反應能釋放巨大的能量，而且這種能源干凈、安全，還以用之不竭的海水作為原料，因此，受控熱核聚變能是人類未來能源的主要希望所在。在地球上，主要有兩種方法實現(xiàn)受控熱核聚變反應：磁約束核聚變和慣性約束核聚變。

核聚變是指由質(zhì)量輕的原子，主要是指氘或氚，在高溫高壓下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。太陽發(fā)光發(fā)熱就是利用核聚變產(chǎn)生的能量。因此，建造核聚變反應堆，就等于在地球上建造提供清潔能源的小太陽。

一、受控熱核聚變可實現(xiàn)理想清潔能源

與傳統(tǒng)化石燃料經(jīng)過燃燒排放大量溫室氣體、污染大氣的缺陷相比，核能的利用就清潔多了?？上Ш肆炎兡艿睦脮a(chǎn)生難于處理的核廢料，處理成本相當高，加上安全運行問題時有發(fā)生，它依然會給人類的生存環(huán)境造成威脅。核能的利用依然無法很好地解決“清潔”和“恒久”兩大問題。

早在20世紀50年代，人類就在地球上實現(xiàn)了發(fā)生在太陽內(nèi)部的氘和氚的核聚變過程，這就是氫彈爆炸。氫彈的成功引爆，讓人類真正體會到兩個質(zhì)量很輕的原子核聚合竟會瞬間釋放出如此驚人的巨大能量！如果能夠按照人們的需要有效地控制這個反應過程，讓能量長期地、持續(xù)地釋放，就可以將這個反應產(chǎn)生的巨大能量拿來為人類發(fā)電，實現(xiàn)核聚變能的和平利用。

受控熱核聚變一旦能夠成功，不但產(chǎn)生的能量巨大，還可以為人類帶來理想而恒久的清潔能源。

首先，燃料來源比較容易獲取。氫的同位素氘與氧結(jié)合所生成的水稱為“重水”。重水在海水中所占比例雖然小，但是人們只要用蒸餾法就可從海水中取得，然后再電解就可獲得氘。據(jù)估測，每升海水中含有0．03克氘，地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。而氚也可以從海水中含量豐富的鋰元素中制造出來。因為鋰原子在重水反應堆中被中子轟擊之后就會分裂成氚和氦?？茖W家將鋰制的靶件放入重水反應堆內(nèi)，在中子的照射下得到氚。

太陽發(fā)光發(fā)熱就是利用核聚變產(chǎn)生的能量

其次，聚變產(chǎn)生的能量比較大。從核物理理論和愛因斯坦著名的質(zhì)能方程可知，聚變能比裂變能還要大幾倍。經(jīng)測算，1升海水所含的氘產(chǎn)生的聚變能等同于300升汽油所釋放的能量，1千克氘全部聚變釋放的能量相當于11000噸煤炭所釋放的能量。海水中氘的儲量足夠人類使用幾十億年。

而尤其重要的是，核聚變反應副產(chǎn)品當中沒有放射性物質(zhì)。核聚變生成的廢物主要是氦，它并不給環(huán)境帶來污染。故與核裂變相比，核聚變不僅安全，而且相對環(huán)保。這意味著，核聚變過程一旦被駕馭，人類將獲得一個理想的清潔能源。難怪人們把這種受控熱核聚變形象地比喻為“人造太陽”計劃。

二、世界掀起“人造太陽”熱

“人造太陽”技術(shù)可行性高，應用前景廣闊。實際上，除了美國的“人造太陽”計劃，中國、俄羅斯等國目前都在研究類似的“人造太陽”核聚變技術(shù)。

（一）國際熱核聚變實驗反應堆

與國際空間站、歐洲加速器、人類基因組測序研究等項目一樣，國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計劃也是一個大型的國際科技合作項目，所涉及國家的人口總和占全球總?cè)丝诘囊话胍陨稀?/p>

該計劃的目標是要利用氫的同位素氘、氚的聚變反應釋放出核能。這一計劃的實施結(jié)果將決定人類能否迅速地、大規(guī)模地使用核聚變能，從而可能影響人類從根本上解決能源問題的進程，因此意義和影響十分重大。這也是人類第一次以大規(guī)模制造清潔能源為目標的核聚變反應實驗。

ITER將采用1968年由蘇聯(lián)人發(fā)明的托卡馬克裝置。托卡馬克裝置又稱環(huán)流器，是一個由環(huán)形封閉磁場組成的“磁籠”，高溫產(chǎn)生的等離子體就被約束在類似于面包圈的磁籠中。托卡馬克裝置通過約束電磁波驅(qū)動，創(chuàng)造氘、氚實現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，并實現(xiàn)人類對聚變反應的控制。ITER中的托卡馬克裝置是一個直徑超過12米、容積達837立方米的環(huán)形容器，里面環(huán)繞著超導電磁線圈。托卡馬克裝置外部的磁體能產(chǎn)生強烈的螺旋形磁場，能夠約束熱核聚變中產(chǎn)生的超高溫等離子體。為了打造這一巨大的磁性籠子，ITER項目需要超過10000噸的鈮合金來制作超導線圈，并且要用低溫液氦來降溫。

ITER的模擬圖

核聚變始終充滿爭議，特別是項目往往需要源源不斷的巨額投入。單單是ITER就需要100億美元。

無論如何，如果ITER的團隊能夠在反應堆成功取得實質(zhì)性突破，那么最終實現(xiàn)核聚變發(fā)電的夢想也許就為期不遠了。

（二）美國國家點火裝置——美國“人造太陽”

20世紀70年代，科學家開始利用強大的激光束進行試驗，壓縮和加熱氫的同位素，使其達到熔點，這一技術(shù)被稱作慣性約束核聚變。激光發(fā)射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續(xù)產(chǎn)生，包含氘和氚氣體的目標物受到外部的刺激后，將發(fā)生爆炸形成沖擊波，進一步加快目標物核心的燃燒，這種燃燒的持續(xù)時間也更長。

目標靶室由厚達10厘米的鋁板制成

工人向目標靶室內(nèi)裝填“人造太陽”的核心裝置

2009年，被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）完成了首次綜合點火實驗——192束激光發(fā)射的能量打造出600萬攝氏度高溫，這相當于恒星或大行星核心的溫度。NIF作為全球最大的激光核聚變裝置，從1997年開始建造，于2009年5月29日建成。整個計劃花了22億英鎊（約合人民幣235億元），如此不惜代價，是因為這個計劃不僅是為了研究如何駕馭太陽的能量，還承載著人類的清潔能源之夢。

NIF是一棟10層樓高的建筑物，其面積相當于3個足球場。它是全球“人造太陽”試驗的中心，有一套十分先進的電腦自動控制集成系統(tǒng)。

NIF內(nèi)部設(shè)有130噸重的目標靶室，這是“人造太陽”計劃最核心的部分。靶室里的中心孔洞直徑達10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁邊有192個激光器向其中發(fā)射激光，以點燃反應堆，并促使包含氘和氚氣體的目標產(chǎn)生極高的溫度和壓力。

這個靶室的條件將接近或達到太陽內(nèi)部核聚變反應時的條件。電腦自動控制集成系統(tǒng)保證了試驗的穩(wěn)定性，因為850臺電腦能確保激光器發(fā)射激光的間隔不超過50微秒。

“人造太陽”啟動時，192束激光束瞄準一個只有花生大小卻包含氘和氚氣體的小球體。這個小球體釋放的能量高達1.3兆焦，其核心最高溫度大約是600萬攝氏度。

盡管這次點火試驗沒有能夠達到太陽中心溫度2700萬攝氏度，也沒有引發(fā)期待中的持續(xù)性核聚變反應，但試驗結(jié)果依然非常振奮人心?？茖W家有決心在今后實現(xiàn)預期目標。

一旦設(shè)想中的核聚變成為現(xiàn)實，NIF內(nèi)靶室的溫度會超過1億攝氏度，內(nèi)部壓力將超過地球大氣壓的1000億倍。

“人造太陽”試驗的意義不言而喻，一旦我們掌握了實現(xiàn)太陽內(nèi)部核聚變的技術(shù)，我們的子孫后代將享受到科技飛躍發(fā)展帶來的成果，能源短缺的時代將一去不復返。

據(jù)NIF的科學家估計，使用核聚變反應堆的發(fā)電站將在2020年開始運行，到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。

（三）中國磁約束核聚變研究達到國際先進水平

先進超導托卡馬克實驗裝置（EAST），是中國研究、開發(fā)核聚變能源的主要實驗裝置。EAST于2006年初建成，它是世界上第一個建成的全超導非圓截面核聚變實驗裝置，其意義就在于在探索人類最終解決能源問題的征途上，中國人又邁出了一大步。

中國磁約束核聚變裝置

2006年9月26日，EAST在安徽合肥首次放電，成功獲得了電流超過200千安、時間近3秒的高溫等離子體放電，成為世界上第一個正式投入運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置，標志著中國磁約束核聚變研究進入國際先進水平。EAST比ITER在規(guī)模上小很多，但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克裝置，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術(shù)基礎(chǔ)是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10年至15年。

2009年6月20日，中國科學家又在中國第一個具有先進偏濾器位形的非圓截面托卡馬克裝置——中國環(huán)流器二號A裝置上，首次實現(xiàn)了偏濾器位形下高約束模式運行。專家指出，這是中國磁約束核聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展，標志著中國磁約束核聚變能源開發(fā)研究綜合實力與水平已經(jīng)得到極大提高。

磁約束核聚變?nèi)舭凑掌胀ǖ牡图s束模式運行，其裝置規(guī)模極為龐大，加熱及控制技術(shù)難度極高，建造及運行成本極為昂貴。高約束模式是實現(xiàn)核聚變能源開發(fā)的關(guān)鍵一步，一直是核聚變科學領(lǐng)域的前沿研究難題。正在規(guī)劃建設(shè)中的國際大科學工程ITER就將采用高約束模式運行。

要實現(xiàn)高約束模式運行，就必須改善位形、密度、雜質(zhì)、再循環(huán)等的控制，還要使電源、器壁處理、偏濾器抽氣及診斷等能力同時達到較高水平。為此，近幾年來，中國科學家一直在潛心進行實現(xiàn)高約束模式的研究，開展了大量艱苦細致的工作。核工業(yè)西南物理研究院堅持自主創(chuàng)新，在中國環(huán)流器二號A裝置上完善了實驗條件，進一步提高了裝置性能。中國科學家繼2003年實現(xiàn)偏濾器位形放電后，又瞄準核聚變前沿領(lǐng)域，自主研制了中國國內(nèi)輸出功率最大的中性束和電子回旋加熱系統(tǒng)，并終于在中國環(huán)流器二號A裝置上，首次實現(xiàn)了高約束模式運行。中國實現(xiàn)了偏濾器位形下高約束模式運行，這不僅為開展國際核聚變界熱點問題的研究創(chuàng)造出一個全新的平臺，而且為更高水平的核聚變研究創(chuàng)造了條件，同時也必將加快中國核聚變能源研究的步伐。

實現(xiàn)高約束模式運行的中國環(huán)流器

三、核聚變相關(guān)技術(shù)難關(guān)

產(chǎn)生和控制核聚變反應，實現(xiàn)聚變能的應用，是一項艱巨而復雜的科學技術(shù)任務，涉及眾多的尖端科學技術(shù)難題。

（一）超高能量的必要性和危害性

聚變?nèi)剂显凇按呕\”以三種不同方式同時燃燒：電子線路發(fā)射電流穿過等離子體、微波加熱以及環(huán)形磁場線圈周圍的微粒加速器發(fā)射高能原子對其進行轟擊。即使多策并舉，時至今日，所有的托卡馬克裝置都沒有產(chǎn)生太多的核聚變能。為了獲得更大的突破，ITER將會啟動一部更加巨大、密度更強的等離子環(huán)形磁場線圈。假如計劃全部實現(xiàn)的話，則需要多10倍的能量才能激發(fā)出等離子。

如此高的能量會給ITER帶來威脅，因為“磁籠”并非牢不可破?；顒觿×业牡入x子體會發(fā)射出X射線，溢出帶電粒子。而且，聚變反應將產(chǎn)生電中性且不受磁力吸引的高能中子。盡管有“磁籠”約束，ITER的等離子體很可能會以極高的熱量將外壁炸開，其破壞力將遠遠超過此前任何一種托卡馬克裝置或常規(guī)核裂變反應堆。

解決能量問題的方案貌似簡單：用水冷回路將熱量轉(zhuǎn)移至熱交換器，最終形成蒸汽。

在這個方案中，高壓水管應被放置于距不銹鋼內(nèi)壁不超過2．5厘米的地方，否則中間的鋼板就會因溫度太高而變軟。

不過，這一措施對直接面對等離子體的內(nèi)層鋼板不起作用。射入的等離子體會激發(fā)鋼板上的金屬原子并將之送進反應盒，污染那里的燃料并降低聚變反應的強度。為此，ITER研究團隊選擇用鈹制成的瓷磚貼在墻壁上。雖然對人體有毒，但鈹卻非常適合抑制等離子體破壞。它是一種輕元素，其原子質(zhì)量非常接近氘和氚的原子質(zhì)量。所以，盡管部分鈹會從墻壁上爆發(fā)出去，但不會撲滅反應堆的火焰。

（二）使反應倉堅不可摧

鋼板和鈹板都會被通過的電流和磁場的機械力量擊傷。每塊金屬板還要承受巨大的壓力，因此它們必須非常牢固。

反應倉的底部也需要高強度的裝甲板，并使用一種稱作“偏濾器”的特殊裝置以保持等離子體的純度。核聚變反應的主要副產(chǎn)品是氦核，如果積累太多的話，將會撲滅反應中的核子烈焰。偏濾器的作用在于過濾掉等離子體的最表層，將其冷卻并吸走，從而移除掉“氦垃圾”和其他雜質(zhì)。偏濾器表面將非常灼熱，如果單單是鈹將很容易熔化，因此要覆蓋上熔點高達3000開的鎢絲和碳纖維。

（三）克服“邊緣局部化模態(tài)”的破壞力

托卡馬克裝置內(nèi)部的等離子體在很多方面都和太陽相似，例如線圈也會突然產(chǎn)生一種稱作“邊緣局部化模態(tài)”的劇烈反應。在0．001秒的瞬間，等離子體線圈表面迅速膨脹，并釋放出大量的粒子?！翱雌饋砭拖裉栆咭粯印！?/p>

雖然單個的“邊緣局部化模態(tài)”非常短暫，但其放射的能量也足以使表層的鈹、鎢或碳瞬間蒸發(fā)。假如“邊緣局部化模態(tài)”每秒鐘會出現(xiàn)幾次的話，最堅固的裝甲也會灰飛煙滅。

DIII－D托卡馬克裝置內(nèi)部

ITER團隊計劃將冰塊投進燃燒的火焰中來解決這個問題。該技術(shù)在20世紀90年代曾應用于德國一個稱作“偏濾器實驗器”的反應堆。與其他的托卡馬克裝置一樣，“偏濾器實驗器”也需要把燃料放置在等離子體線圈上，為此它安裝了一部氣動噴槍，將冷卻的氘球發(fā)射到線圈盒中。

“偏濾器實驗器”的研究者發(fā)現(xiàn)，當氘球射到等離子體時，會產(chǎn)生像“邊緣局部化模態(tài)”一樣的爆發(fā)現(xiàn)象，大量的氣體瞬間釋放。因此可以通過確定發(fā)射氘球的時間和方向來降低“邊緣局部化模態(tài)”的力度。

當然，這種控制方法也并非完美無缺，“邊緣局部化模態(tài)”最終會穿透反應堆的內(nèi)壁，因此必須有另外一種防御方法。2006年，在美國通用原子公司的DIIID托卡馬克裝置的試驗中，物理學家發(fā)現(xiàn)他們能夠利用反應堆內(nèi)的一排小磁環(huán)來阻止“邊緣局部化模態(tài)”的集中出現(xiàn)。小磁環(huán)放置在保護墻的后面，形成微弱的磁場，擾動等離子體的表面，在一定程度上阻止了“邊緣局部化模態(tài)”的爆發(fā)。不過，科學家還無法從理論上清楚地解釋這種現(xiàn)象。

上述兩種方法在英國JET核聚變反應堆被進一步改進，但最終的試驗將在ITER進行，以驗證它們能否在不釋放太多等離子體和影響核聚變反應的前提下控制住“邊緣局部化模態(tài)”。

（四）令人不寒而栗的中子爆炸

中子是另一個潛在的威脅。核聚變反應堆芯產(chǎn)生的高能中子會使整個反應堆溫度升高，破壞它們碰到的任何結(jié)晶體，堅硬的金屬也會變得脆弱不堪。反應堆引發(fā)的中子爆炸將遠比我們在地球上看到的一切爆炸都更加劇烈。整個反應堆會不會被炸得粉身碎骨呢？

科學家深信這種情況不會發(fā)生，因為保護壁會采用奧氏體不銹鋼。這是一種用于家庭餐具上的鋼材，具有高彈性晶體結(jié)構(gòu)，即使在很多原子遭到破壞的情況下仍具有足夠的強度。這種不銹鋼的抗擊打能力是非常強的。

四、實現(xiàn)受控熱核聚變能源的進展

前面談到等離子體研究的巨大進展，主要是在大型托卡馬克裝置上取得的。而建造這種裝置要采用諸多高精尖技術(shù)，且耗資巨大。隨著研究工作的深入和更大規(guī)模裝置的建造，核聚變堆等離子體工程技術(shù)和診斷的要求愈來愈高，這些技術(shù)涉及大型磁體、大體積超高真空、長脈沖高功率離子加速和射頻技術(shù)、等離子體控制工程等。因此，建成和運行這些大型裝置也標志著等離子體工程技術(shù)得到了高度的發(fā)展。

隨著等離子體研究的進展，核聚變界逐漸關(guān)注核聚變堆工程技術(shù)的研究。20世紀70年代后期以來，研究人員在堆設(shè)計、各種材料研究、包層技術(shù)、氖技術(shù)和遠距離操作技術(shù)等方面進行了大量研究工作。至此，人們認為世界核聚變界的努力已經(jīng)積累了足夠的知識，能夠建造一座具有點火條件等離子體的實驗性核聚變堆，其堆芯能夠長脈沖運行。規(guī)?？涨暗膰H合作計劃ITER就從此開始了。從1988年開始至今已取得很大進展，大大推動了核聚變能源的開發(fā)。美國能源部的日程表是2025年運行示范堆，2040年運行商用堆。俄羅斯的時間表大體與此相同。經(jīng)過各國科學家近半個世紀的共同努力，核聚變研究也已從科學實驗階段進入了能源開發(fā)階段。這項人類征服自然的偉大事業(yè)取得成功已經(jīng)不是那么遙遠了。

與此同時，我們對于開發(fā)核聚變能的艱巨性和復雜性，還要有充分的了解。

比如，從工程和經(jīng)濟的角度出發(fā)，要求聚變堆應能穩(wěn)態(tài)（以天、周、月計）、長脈沖（以小時計）運行。但迄今為止得到的高參數(shù)等離子體還只是存在幾秒至幾十秒?，F(xiàn)在尚不清楚，在長脈沖實驗中，良好的約束狀態(tài)能維持多久；約束能不能使等離子體保持低雜質(zhì)含量并順利將“灰”排出。這些問題要在下一代實驗裝置（如ITER）中進行研究。

又如，在堆工程上，為了充分發(fā)揮核聚變能源在安全、環(huán)境上的優(yōu)勢，發(fā)展新型的低放射性結(jié)構(gòu)材料以取代不銹鋼，就必須研制、建造昂貴的核聚變材料輻照試驗裝置。

不管怎樣，人類社會發(fā)展迫切需要開發(fā)新的可靠的長遠能源。而物質(zhì)中蘊藏的核聚變能遲早會為人類所用。