“造日”计划

　　为了留存永恒的光和热，几千年后，人们仍然在追随夸父的脚步。

　　再造一个太阳——在国际上，这样的行动已经有五十多年的历史。现在，在安徽省合肥市，中国科学院等离子体物理研究所(下称“中科院等离子体所”)的科学家们，向着这个目标迈出了重要一步，他们让中国的“人造太阳”完成了第一次放电实验。

　　这个名叫EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，意为“实验先进超导托卡马克”)的落地实验装置，是一个类似啤酒桶的重达上百吨“大容器”。

　　它的秘密在于核聚变能——这种无限、清洁、安全的能源，是宇宙间包括太阳在内的所有恒星释放光和热的动力。而产生、控制和维持核聚变能就是“人造太阳”的终极目标。

　　在合肥，29位来自欧、美、俄、日等世界一流聚变研究机构的负责人及资深科学家对EAST印象深刻。而8-10年之后，在法国，由中国、美国、欧盟、俄罗斯等7方参与的国际热核实验堆——ITER(International Thermal-nuclear Experimental Reactor)将完成第一期工程。这是目前全世界最大的国际合作项目，参与国的人口占到了全世界的三分之二。

　　EAST的成功为ITER的实施提供了很多经验。“我们从头到尾走了一遍ITER的主要技术。”中科院等离子体所副所长、EAST装置主机负责人武松涛说，ITER像一个放大版的EAST，这个更庞大的容器将会是未来聚变商业示范堆的基础。

　　几百年后，地球上的煤、石油等天然能源消耗殆尽之时，“人造太阳”或许是为数不多的替代能源之一。现在，它的商业空间，人们才刚刚窥见轮廓。

　　氘和氚的相聚

　　太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在漫长的岁月里，它的内部时刻都在燃烧着氢的同位素——氘和氚。当氘和氚的原子核相聚碰撞时，会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。

　　100年前，爱因斯坦用一个轻巧的质能方程式——E＝mc2，给出了复制太阳的方式。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，反应后质量有一定亏损，这些亏损的质量将转变为巨大的能量。

　　利用聚变能来发电，和传统裂变能核电站相比，“人造太阳”的优势十分明显。武松涛说，聚变能“是人类寻求新能源的必然选择”。

　　裂变电站的原料——铀的地球储量有限，百年之内就会被用完；铀的提纯技术也相当复杂。更关键的是，铀裂变时产生的碎片有很长时间的放射性，潜在的废料污染以及裂变堆的安全问题都还没有妥善解决。

　　聚变能采用的原料氘，在自然界中几乎取之不尽。地球海水中蕴藏了大约40万亿吨氘，用于聚变反应，释放的能量足够人类使用几十至上百亿年。

　　同时，聚变反应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，反应可以随时停止，不会发生切尔诺贝利那样的核泄漏事故。

　　虽然核聚变能的优势明显，反应原理简单，但自1952年美国第一颗氢弹爆炸至今，人们还是没能真正控制住聚变能。因为“我们对等离子体的不稳定性和紊乱性知之甚少。”马里兰大学的物理学家William Dorland说。

　　由于存在巨大的引力场，在太阳表面6000摄氏度的高温条件下可以轻松进行聚变反应。但在地球上没有那么大的引力，稳定控制聚变输出的能量为人所用的过程极其艰难。

　　“我们需要将燃料加热到几千万至上亿摄氏度，成为等离子体，”武松涛解释说，“当电子能够摆脱原子核的束缚，原子核才能够完全裸露出来，为原子核的碰撞做准备。”

　　科学家们需要将这些等离子体继续加热到上亿度，使两个都带正电的原子核拥有足够的动能克服斥力，聚合在一起。

　　这些上亿度的等离子体，还必须在足够长的时间里“老实地呆在容器里”，使聚变反应稳定持续地进行，“不能乱跑，也不能碰到容器的内壁”。

　　找个容器

　　用什么容器来盛装上亿摄氏度的等离子体？

　　前苏联科学家提出了磁约束的概念，期望用“无形的河床来约束河水”——环行磁场。在磁场中，带正电的原子核会沿着磁力线做螺旋式运动。

　　EAST实验装置从内到外一共由五层部件构成。这个啤酒桶一样的大容器最外层由不锈钢制成，“相当于一个保温胆。”而最内层的环行磁容器像个巨大的中空“面包圈”。

　　“面包圈”内部的等离子体将达到上亿摄氏度的高温，这也正是模拟太阳核聚变反应的关键部位。环绕在“面包圈”周围的磁体通电后会产生巨大的磁场，将等离子体揽在怀中作高速螺旋运动，而“不会到处乱跑”。

　　武松涛对于等离子体研究所的综合实力很有信心，崭新的HT-7(环形磁线圈容器，俄文缩写为Tokamak)成为中国第一个、世界第四个超导托卡马克。

　　从上世纪50年代核聚变研究开始，全世界建造了上百个托卡马克装置。但因为磁线圈发热的问题，真正能够持续放电的托卡马克几乎没有。在HT-7的研究基础上，武松涛们进而研制成世界新一代的全超导托卡马克——EAST，并在今年9月28日成功进行放电实验。这是世界首个投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

　　武松涛强调了“全超导”的难度——在强电流作用下，磁线圈会发热。科学家将超导技术成功应用于磁线圈，成为零电阻的超导材料，能维持长时间的强电流，产生持久的强磁场。

　　ITER的未来

　　尽管是一个不小的突破，但EAST也仅是未来聚变实验堆的一个雏形，真正的实验堆ITER非一国之力所能完成。

　　武松涛介绍说，最早美英俄独自研究聚变反应堆，试图尽早进入商业应用。“但它们在研究三五年之后，发现实在太难了”，仅靠一国之力根本无法成功。而能源危机的逐步显现，使聚变能的重要性为各国所认知。

　　1985年11月，美国、前苏联、日本和欧洲共同体四方参与建设国际热核实验反应堆ITER。之后，中国、韩国、印度陆续加入。ITER装置所需要的各项技术和设备将由7方共同参与。而关于ITER的选址争议，一度令这个最大的国际合作项目陷于停滞。

　　据武松涛分析，争取ITER选址本国，至少有两点好处：其一，装置所在国的工作人员会占到整个项目的50%。欧盟预计，该项目将直接为承建国提供3000个就业岗位；其二，ITER代表了世界未来能源科技的最高水平，参与ITER的设计、建造和研究，能带动当地的钢铁、电力、建筑、运输等各行业的经济发展。

　　最初在讨论ITER安家问题时，“中国考虑到主办国要承担50%的贡献，并且技术上有一些问题，并没有自告奋勇”。而日本、法国、西班牙、加拿大同时提出要承建。

　　欧洲研究人员认为，若反应堆建在日本六所村，地震风险太大。日本则认为，法国的卡达拉舍远离海岸，很难安全地运输大型设施。反复谈判商讨之后，卡达拉舍成为最后选址地。

　　目前参与ITER的7方已经有了分工，每个国家都要贡献部件和技术，最终到法国去组装。因为ITER建在欧洲，欧盟需要出50%的贡献率。剩下的由其他6方分工。按照计划，中国要贡献10%的部件和技术，这包括超导技术、大功率电源技术、遥控技术、包层的技术等等。

　　据武透露，整个ITER的项目费用需要100亿欧元，包括装置、建筑、子系统的建设需要50亿欧元，这第一期工程建设时间是8到10年，大约在2016年于法国建成。

　　但ITER只是一个实验堆，离发电依然十分遥远。如果获得成功，它的下一步是建造商业示范堆和商业运行堆。ITER建成后，如果运行5-10年还比较正常，武松涛说，参与这个研究的国家“要么是联合起来做一个示范堆，要么就各自做各自的示范堆，那个时候大家还能不能合作就很难说”。

　　今年11月份，中国科技部部长徐冠华将跟其他6方签署“ITER联合实施协定”的正式协议。武松涛说，不管怎么样，商业应用乐观估计30年就可以实现，最悲观的估计也就50年以后。