中國新一代“人造太陽”實驗裝置
所謂的人造太陽，就是ITER（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）裝置一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克。託卡馬克核聚變實驗裝置，2006年在合肥科學島建成，是世界上第一個全超導託卡馬克核聚變實驗裝置，中文名為“東方超環”。核聚變能是一種取之不盡用之不竭的新能源。如果人類掌握了核聚變能源，將擁有可使用上十億年的清潔能源。因此，受控熱核聚變實驗裝置被人們稱之為“人造太陽”，是人類尋找能源出路的希望之一。
太陽是熱核聚變反應的典型代表，1938年，美國科學家貝特(H.Bethe)和德國科學家魏茨澤克(C.F.v.Weizsacker)推測太陽能源可能來自它的內部氫核聚變成氦核的熱核反應，這甚至早於核裂變模型的提出。太陽的核心溫度高達1500萬攝氏度，表面有6000度，壓力相當於2500億個大氣壓。核心區的氣體被極度壓縮至水密度的150倍。在這裡每時每刻都發生著熱核聚變，太陽每秒鐘把七億噸的氫變為氦，在這過程中失去400多萬噸的質量，這種聚變反應已經持續了幾十億年，它的輻射能量給地球帶來無限生機。
自人類進入工業化以來，世界能源消耗迅速增長。有數據顯示，自1973年以來，人類已經開採了5500億桶石油（約合800億噸），按照現在的開採速度，地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開採50年，已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開採63年；已探明的9827億噸煤炭還可以用300年到400年。核電站發電需要濃縮鈾，世界上已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸，全球441座核電站目每年需要消耗6萬多噸濃縮鈾，地球上的鈾儲量僅夠使用100年左右。世界各國水能開發也已近飽和，而風能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。
隨著石油價格上漲，能源危機再次被提起，各國也加快了新能源研發，核聚變能就是重點之一。與傳統的裂變式核電站相比，核聚變發電具有明顯的優勢。核聚變所用的重要核燃料是氘，理論上，只需1千克氘和10千克鋰(通過鋰可得到氘)就可以保證一座百萬千瓦聚變核電站運轉一天，而傳統核電站和火力發電站至少需要100千克鈾或1萬噸煤。製取1千克濃縮鈾的費用是1.2萬美元,而製取1千克氘的費用只有300美元。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克；而一座百萬千瓦裂變式核電站，需要30-40噸核燃料。
氘的發熱量相當於同等煤的2000萬倍，是海水中大量存在的元素。據測算，海水中大約每600個氫原子中就有一個氘原子，每1公升海水中含有0.03克的氘，通過核聚變反應產生的能量，相當於燃燒300公升的汽油。就是說，“1升海水約等於300升汽油”。地球上的海水總量約為138億億立方米，其中氘的儲量約40萬億噸，足夠人類使用百億年。鋰是核聚變實現純氘反應的過渡性輔助“燃料”，地球上的鋰儲量有2000多億噸，海水中的氘再加上鋰至少夠我們地球用上千億年。氚雖然在自然界比氘少得多，但可從核反應中製取，也可用於熱核反應。科學家們正在以海水中的氘為主要原料，進行核聚變反應試驗，以期建立可以投入商業運營的熱核聚變反應堆，徹底解決人類未來的能源問題。
更為可貴的是核聚變反應是清潔能源，幾乎不存在放射性汙染，核裂變的原料本身帶有放射性，而核聚變反應過程中，在任何時刻都只有一丁點的氘在聚變，無需擔憂失控的危險，而且也不會產生放射性的物質。即使像切爾諾貝利核電站那樣發生損壞，核聚變反應堆也會自動立即中止反應，因此受控核聚變產生的能量名符其實是一種無限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。在這一系列的動力下，核聚變的研究已經持續了半個多世紀。
核聚變反應堆的原理很簡單，只不過對於人類當前的技術水準，實現起來具有相當大的難度。
物質由分子構成，分子由原子構成，原子中的原子核又由質子和中子構成，原子核外包覆與質子數量相等的電子。質子帶正電，中子不帶電。電子受原子核中正電的吸引，在"軌道"上圍繞原子核旋轉。不同元素的電子、質子數量也不同，如氫和氫同位素只有1個質子和1個電子，鈾是天然元素中最重的原子，有92個質子和92個電子。
核聚變是指由質量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦），並釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當11000噸煤炭。其實，利用輕核聚變原理，人類早已實現了氘氚核聚變———氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災難。如果能讓核聚變反應按照人們的需要，長期持續釋放，才能使核聚變發電，實現核聚變能的和平利用。
如果要實現核聚變發電，那麼在核聚變反應堆中，第一步需要將作為反應體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，讓原子核能自由運動，這時才可能使裸露的原子核發生直接接觸，這就需要達到大約10萬攝氏度的高溫。
第二步，由於所有原子核都帶正電，按照“同性相斥”原理，兩個原子核要聚到一起，必須克服強大的靜電斥力。兩個原子核之間靠得越近，靜電產生的斥力就越大，只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時，核力（強作用力）才會伸出強有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。
質量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發生聚變反應，所以核聚變物質一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氫)、氚 (超重氫)。在氫的同位素中，氘和氚之間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時，先考慮氘、氚之間的聚變，後考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發生聚變反應，釋放的能量也更多；但是以人類目前的科技水平，尚不足滿足其聚變條件。
為了克服帶正電子原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運行，要使原子核達到這種運行狀態，就需要繼續加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運動達到一個瘋狂的水平，溫度越高，原子核運動越快。以至於它們沒有時間相互躲避。然後就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發生碰撞，結合成1個氦原子核，並放出1箇中子和17.6兆電子伏特能量。
反應堆經過一段時間運行，內部反應體已經不需要外來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要將氦原子核和中子及時排除出反應堆，並及時將新的氚和氘的混合氣輸入到反應堆內，核聚變就能持續下去；核聚變產生的能量一小部分留在反應體內，維持鏈式反應，剩餘大部分的能量可以通過熱交換裝置輸出到反應堆外，驅動汽輪機發電。這就和傳統核電站類似了。
核聚變消耗的燃料是世界上十分常見的元素——氘（也就是重氫）。氘在海水中的含量還是比較高的，只需要通過精餾法取得重水，然後再電解重水就能得到氘。新的問題出現了，僅僅有氘還是不夠的，儘管氘-氘反應也是氫核聚變的主要形式，但我們人類現有條件下，根本無法控制氘-氘反應，它太猛烈了，所需要的溫度要高得多，除了在實驗室條件下做一次性的實驗外，很難讓它鏈式反應下去——那是氫彈一樣的威力。還好，人們發現了氘-氚反應的烈度要小很多，它的反應速度僅僅是氘-氘反應的100分之一，而點火溫度反倒低得多，很適合人類現有條件下的利用。
而氚不同於氘，氚是地球上最稀有的元素，由於氚的半衰期只有12.26年，所以在地球誕生之初的氚早已衰變地無影無蹤了。現在人類的氚都是人工製造而非天然提取的，人們通常用重水反應堆在發電之餘人工製造少量的氚—— 它是地球上最貴的東西之一，一克氚價值超過30萬美元，僅在美國保存有30公斤左右的氚。這麼貴的原料，用作核聚變發電顯然是無法接受的，幸好上帝給人類又提供了一種好東西——鋰。鋰元素也是世界上最豐富的資源，有2000多億噸。一方面海水中就包含足夠的氯化鋰，分離出來即可。另一方面，中國是世界鋰資源最豐富的國家，碳酸鋰礦也不是稀有資源，更容易獲得。鋰的2種同位素——鋰-6和鋰-7，在被中子轟擊之後，就會裂變，他們的產物都是氚和氦，目前為止人類在重水反應堆中製造氚，用的就是將鋰靶件植入反應堆的方法。
在聚變反應堆內，氚和氘反應後，除了形成一個氦原子核之外，還有一個多餘的中子，並且能量很高。我們只需要在核聚變的反應體之內保持一定比例的鋰原子核濃度，那麼核聚變產生的中子就會轟擊鋰核，促使鋰核裂變，產生一個新的氚，這個氚則繼續參與氚-氘反應，繼而產生新的中子，鏈式反應形成了。所以，理論上我們只需要給反應體提供兩種原料——氘和鋰，就能實現氘-氚反應，並且維持它的進行。
看起來很簡單是吧，只是還有一個問題，能夠承載上億攝氏度超高溫反應體的核反應堆用什麼材料來製造呢？要知道，太陽表面的溫度也才只有6000度左右。迄今為止，人類還沒有造出任何能經受1萬攝氏度高溫的材料，更不要說上億攝氏度了。以上這些因素就是為什麼一槌子買賣的氫彈已經爆炸了50年後，人類還是沒能有效地從核聚變中獲取能量的重要原因。
為了解決核聚變反應堆的製造問題。早在60年前，科學家們提出了兩種約束高溫反應體進行核聚變的理論，一種是激光慣性約束。這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內，然後從外面均勻射入高能激光束或粒子束，球囊內的氘-氚反應氣體受力向內擠壓，壓力升高，溫度也急劇升高，當溫度達到核反應需要的溫度時，球內氣體發生核聚變反應，產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘持續不斷地發生三四次，釋放出的熱量傳導出來就能發電，功率可達到百萬千瓦以上。這一理論的奠基人之一是我國著名科學家王淦昌院士。
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另一種就是磁力約束，如核聚變反應的高溫條件下，等離子體微粒的運行難以捉摸。而實現可控制的核聚變，就必須約束這些“亂跑”的等離子體。那麼，怎樣在高溫下約束等離子體的運行？
20世紀40年代末，蘇聯科學家伊戈爾·塔姆和安德烈·薩哈羅夫（蘇聯氫彈之父）提出了“磁約束”概念，即通過強大的磁場形成一個封閉的環繞型磁力線，讓等離子體沿磁力線運行。等離子體具有的一個性質是，磁場不可穿過其內部，只可以沿著等離子體的邊沿繞行，這樣就可以使用磁場將等離子體約束起來，利用運動電荷在磁場中作圓周運動的規律，使核聚變物質與容器隔離。
從50年代開始聚變研究以來，世界各國發展了很多類型的磁約束聚變裝置，有箍縮、仿星器、多極場、託卡馬克等形式，但參數都很低。直到1968年8月，在蘇聯召開國際受控核聚變研討會上，阿齊莫維齊宣佈蘇聯在T-3託卡馬克裝置上實現了1000萬度的等離子體放電，並實現能量輸出，這是受控核聚變研究的重大突破，在國際上掀起了一股託卡馬克的熱潮，各國相繼建造或改建了一批大型託卡馬克裝置。其中比較著名的有美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克(Ormark)，法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak，英國卡拉姆實驗室的克利奧(Cleo)，西德馬克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak等。除“仿星器”外，其他裝置逐步退出科研的平臺。利用託卡馬克裝置進行的磁約束核聚變研究和利用高能激光進行的慣性約束核聚變研究，成為世界可控核聚變研究的兩種主要途徑。
半個世紀以來，在30多個國家建造的大大小小上百個實驗裝置上，每一次放電時間的延長，人們都為之興奮；每一次溫度的提高，人們都為之歡呼；因為這看似小小的進步，都意味著我們離聚變能的應用更近了一步。為了達到聚變所要求的條件，託卡馬克已經變為一個高度複雜的裝置，十八般武藝全用上了，其中有超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫等極限環境，對工藝和材料也提出了極高的要求，從堆芯上億度的高溫到線圈中零下269度的低溫，就可見一斑。由於難度過高，世界各國不得不攜手合作，因此可控核聚變已經成為世界最開放的高技術合作領域。
如果人類掌握了核聚變能源，將擁有可使用上10億年的清潔能源。“人造太陽”的傑出成就，讓人類朝獲得受控核聚變能的目標又邁進一步。
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