人造太阳

人造太阳

百科名片

所谓“人造太阳”，即先进超导托卡马克实验装置，也即国际热核聚变实验堆计划(ITER)建设工程，是当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，旨在在地球上模拟太阳的核聚变，利用热核聚变为人类提供源源不断的清洁能源。核聚变能以氘氚为燃料，具有安全、洁净、资源无限3大优点，是最终解决我国乃至全人类能源问题的战略新能源。

简介

人造太阳是可控核聚变的俗称，因为太阳的原理就是核聚变反应。（核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。科学家们把这类装置比喻为“人造太阳”。

人造太阳

“人造太阳”是指科学家利用太阳核反应原理，为人类制造一种能提供能源的机器——人工可控核聚变装置，科学家称它为“全超导托克马克试验装置”。（托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离子的等离子体。）太阳的光和热，来源于氢的两个同胞兄弟——氘和氚（物理学叫氢的同位素）在聚变成一个氦原子的过程中释放出的能量。“人造太阳”就是模仿的这一过程。氢弹是人们最早制造出的“人造太阳”。但氢弹的聚变过程是不可控的，它瞬间释放出的巨大能量足以毁灭一切。而“全超导托克马克试验装置”却能控制这一过程。通过一种特殊的装置已经可以把氘氚的聚变燃料加热到四亿到五亿度的高温区，然后在这么高的温度下就发生了大量的聚变反应。目前在世界上最大的托克马克装置“欧洲联合环”上面已经获得了最大的聚变功率输出，到了16到17兆瓦。但是只能短暂地运行，也就是这个“磁笼”只能存在几秒、十几秒钟，聚变反应也是昙花一现！

背景

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

人造太阳

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。

实际上，太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在宇宙中的其他恒星上，也几乎都在燃烧着氢的同位素———氘和氚。（氢原子最容易实现的聚变反应是其同位素氘与氚的聚变。氘和氚聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。）

而氘在自然界中几乎“取之不尽”。科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。从1升海水里提取的氘，在完全的聚变反应中所释放的能量，相当于燃烧300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。

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。

1952年美国试爆了第一颗氢弹，促使科学家考虑如何控制核聚变反应在瞬间爆发的毁灭性能量，“人造太阳”之梦由此而始。

此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危机和温室效应步步逼近，获取新型能源已经变得十分迫切。虽然风能、水能、太阳能等可再生能源不断地被开发利用，但很难想象，它们能够完全替代传统能源。

原理

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。

人造太阳

核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量，产生聚变的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。

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的阿奇莫维奇按照这样的思路，不断进行研究和改进，于1954年建成了第一个磁约束装置。他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）。托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。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。

托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场（环向场）线圈，产生环向磁场，约束等离子体，极向场控制等离子体的位置和形状，中心螺管也产生垂直场，形成环向高电压，激发等离子体，同时加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。

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。

人造太阳

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。目前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行，它们都只有纵向场线圈采用超导技术，属于部分超导。其中法国的超导托卡马克Tore-Supr a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。中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置，目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行。

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。在上世纪70年代，人们对约束磁场研究有了重大进展，通过改变约束磁场的分布和位形，解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克，即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR），欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET），日本1985年建成的JT-60，苏联1982年建成超导磁体的T -15，它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献。特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，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2 2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。

研究进展

从上个世纪50年代初，美国和苏联分别开始秘密地研究可控的核聚变，因为核聚变反应堆不仅可以获取用