人造太阳

人造太阳——能源危机的终结者
看过灾难大片《2012》的朋友还记得么？影片里有一个庞大的、多国合作完成的“诺亚方舟”计划，它在人类面临灭顶之灾的时候承载着人类继续繁衍生存的希望。

但是这只是个科幻小说。

现实中，国际间确实有一个多国合作计划，只不过在这个计划中，多国合作建设的不是“诺亚方舟”，而是被称为"人造太阳"的国际热核聚变实验堆，而它承载的是人类未来新能源的希望。

100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。

依据他提出的质能方程E＝mc2。

核聚变的原理看上去极其简单：两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。

1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。

这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。

在太阳的中心，温度高达1500万摄氏度，气压达到3000多亿个大气压，在这样的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量。

几十亿年来，太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置，无休止地向外辐射着能量。

核聚变能主要燃料之一是氢的同位素氘。

氘广泛的分布在水中，每一升水中约含有30毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。

采集氘并使之与相关物质聚变产生能量，就是人造太阳的原理。

早在上世纪50年代，人类就实现了核聚变的反应就是氢弹的爆炸，但是氢弹瞬间猛烈爆炸是无法控制的，所以人们就想要把氢弹爆炸出的巨大能量能够被人类用于社会生产和人类生活。

20世纪50年代初，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念。

苏联库尔恰托夫原子能研究所于1954年建成了第一个磁约束装置。

他们将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）。

这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离了的等离子体。

几十年来，人们一直在研究和改进磁场的形态和性质，以达到长时间的等离子体的稳定约束；还要解决等离子体的加热方法和手段，以达到聚变所要求的温度；在此基础上，还要解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题。

每一次等离子体放电时间的延长，人们都为之兴奋；每一次温度的提高，人们都为之欢呼；每一次输出能量的提高，都意味着我们离聚变能的应用更近了一步。

尽管取得了很大进步，但障碍还是没有克服。

到目前为止，托卡马克装置都是脉冲式的，等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算，个别可达到分钟级，还没有一台托卡马克装置实现长时间的稳态运行，而且在能量输出上也没有做到不赔本运转。

为了维持强大的约束磁场，电流的强度非常大，时间长了，线圈就要发热。

从这个角度来说，常规托卡马克装置不可能长时间运转。

为了解决这个问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，也许这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一。

法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒的条件下，等离子体温度为2000万度，中心粒子密度每立方米1.5×1019个。

50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫。

1991年11月欧洲在英国建成的欧洲联合环（JET）将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。

反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。

1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。

这一输出功率已达到当时输入功率的60%。

不久输出功率又提高到16.1兆瓦。

在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。

在人造太阳不断的探索和尝试的路途上，理论研究和实验技术上遇到一个又一个难以逾越的障碍，不久独立进行研究的各国就认识到这件事并不容易，只有开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能利用的可行之路。

随后逐渐相互公开研究资料和进展，开始了合作之路。

即使在冷战时期，其他核技术都是相互保密的，惟独热核聚变技术是相互公开的。

国际热核
聚变实验堆计划一提出就受到了世界各国政府的青睐，到目前该计划总共有七个方面，三十三个国家参与这个计划。

这33个国家计划涉及到全球60%的人口和80%的GDP，是个相当宏大的计划，它也成为了世界上最大的一个国际大科学工程化。

人造太阳承载了人类的清洁能源之梦。

在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。

更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。

尽管国际热核聚变实验堆采用了最先进的设计，综合了以往的经验和成果，比如采用全超导技术，但它的确还面临重重挑战。

即使对国际热核聚变实验堆的科学研究真的成功了，聚变发电站至少还要30～50年以后才能实现。

根据科学家的分析，如果我们未来能建成一座1000兆瓦的核聚变电站，每年只需要从海水中提取304公斤的氘就可以产生1000兆瓦的电量，照此计算，地球上仅在海水中就含有的45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，比太阳的寿命还要长。

实现可控制的核聚变反应，打造一个“人造太阳”，已成为当今世界挡不住的一大诱惑。