自從第一次石油危機(jī)以來，世界各國競相發(fā)展節(jié)能技術(shù)，但是人類目前可利用的能源資源畢竟有限，主要能源將在未來幾十年至100多年的時間內(nèi)枯竭。今后幾十年里，世界各國為爭奪石油資源將不可避免發(fā)生國家間的沖突乃至戰(zhàn)爭，最近的伊拉克戰(zhàn)爭就是爭奪石油資源最好的例子。同時傳統(tǒng)能源還會帶來環(huán)境問題，如溫室氣體的增加可引起氣候變化等。

最近，由中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國參加的國際熱核反應(yīng)堆合作計劃(ITER)因其最終選址問題再次引起了人們的興趣。這個被稱為人造太陽的熱核反應(yīng)堆，不僅因為1.3萬億日元的巨大投資引起了人們極大的關(guān)注，更因為如能在未來50年內(nèi)開發(fā)成功，將在很大程度上改變目前世界能源格局，使人類今后將擁有取之不盡、用之不竭的清潔能源。

來自太陽的靈感

太陽，高懸九天之上，溫暖而燦爛。其永恒放射的萬丈光焰自古幻為我們祖先崇拜的圖騰，大腦中揮之不去的謎團(tuán)。斗轉(zhuǎn)星移，滄海桑田，直到19世紀(jì)末，放射性研究的開啟才真正將人類引領(lǐng)到太陽迷宮的門外，而核聚變的發(fā)現(xiàn)終于使人類喊出了那一聲響亮的“芝麻開門”。

最初，劍橋卡文迪許實驗室的英國化學(xué)家和物理學(xué)家阿斯頓，在用自己創(chuàng)制的攝譜儀從事同位素研究時發(fā)現(xiàn)，氦-4質(zhì)量比組成氦的4個氫原子質(zhì)量之和大約小1%左右。1929年，英國的阿特金森和奧地利的奧特斯曼聯(lián)合撰文，證明氫原子聚變?yōu)楹さ目赡苄裕⒄J(rèn)為太陽那千秋噴薄的光與熱皆源自這種輕核聚變反應(yīng)。

隨后的研究證實，太陽發(fā)出的能量來自組成太陽的無數(shù)的氫原子核。在太陽中心的超高溫和超高壓下，這些氫原子核相互作用，發(fā)生核聚變，結(jié)合成較重的氦原子核，同時釋放出巨大的光和熱。于是，科學(xué)家設(shè)想，如果實現(xiàn)人工控制下氫元素的核聚變反應(yīng)即受控?zé)岷朔磻?yīng)，那么在地球上同樣可以創(chuàng)造出一個個具有不竭能量的人造太陽。

在地球上造太陽并非科學(xué)狂人的瘋狂之舉，而是人類自身生存的必需。200年之內(nèi)，石油、煤、天然氣資源均面臨枯竭的危險。20世紀(jì)后半葉，核能利用出現(xiàn)熱潮，各種類型的核電站在世界范圍內(nèi)得到了異常迅速的發(fā)展。但目前所有核電站的原理，都是利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變，來釋放巨大能量的。且不說這種類型的裂變電站引發(fā)的核污染噩夢與之創(chuàng)造的能量同樣觸目驚心，單就其主要原料鈾而言，地球的儲量也僅夠維持?jǐn)?shù)百年之用。

因此，人類不得不再次將索求的目光投向太陽，并將最終解決能源需求的希望寄托于受控核聚變的實現(xiàn)和推廣，試圖建設(shè)利用氫的同位素氘和氚的原子核實現(xiàn)核聚變的熱核反應(yīng)堆。

熱核聚變所用的重要核燃料是氘。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克。據(jù)測，每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油，就是說，“1升海水約等于300升汽油”。地球上海水中有45萬億噸氘，足夠人類使用60億年。

更為可貴的是核聚變反應(yīng)中幾乎不存在放射性污染，無需擔(dān)憂失控，不會發(fā)生爆炸，是一種真正無限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。

其實，人類早已實現(xiàn)了氘氚核聚變———氫彈爆炸，但那種不可控制的瞬間能量釋放只會給人類帶來災(zāi)難，而馴服核能，使核聚變在人為控制下為人類服務(wù)卻是件異常艱難的事。時至今日，人們越來越清醒地認(rèn)識到，受控核聚變實現(xiàn)之日方是我們真正擺脫能源危機(jī)之時。

人造幾億攝氏度高溫

早在1938年，人們就發(fā)現(xiàn)了核聚變。然而，距1942年第一座核裂變反應(yīng)堆建成已半個多世紀(jì)了，受控聚變還是遲遲沒有實現(xiàn)有益的能量輸出。

如此舉步維艱的根本原因，是輕元素原子核的聚合遠(yuǎn)比重元素原子核的分裂困難得多。

都帶正電的原子核間既彼此吸引又互相排斥，當(dāng)兩個原子核之間相距只有約萬億分之三毫米時，它們之間的吸引力才會大于靜電斥力，兩個原子核也才可能聚合到一起同時釋放出巨大的能量。而滿足這樣的條件需要的是幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫。

人類要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過程。比較切實可行的控制辦法是通過控制核聚變?nèi)剂系募尤胨俣燃懊恳淮蔚募尤肓浚购司圩兎磻?yīng)按一定的規(guī)模連續(xù)或有節(jié)奏地進(jìn)行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一，而且對能量的約束也要有足夠長的時間。也就是說，我們無法簡單模擬太陽中心那樣高的等離子體密度和上億的溫度，只有追求比太陽中心更高的溫度來解決碰撞幾率問題。創(chuàng)造這樣苛刻的環(huán)境在技術(shù)上的難度就可想而知。還有，超高溫的等離子體，有強(qiáng)烈地向外擴(kuò)張的特性，必須有極強(qiáng)的磁場來約束住它們，絕對不讓它們與四周容器壁接觸，試想，怎樣的材料才能裝進(jìn)“太陽”而不自身化為烏有?

20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得了重大的進(jìn)展，而托卡馬克類型的磁約束研究更是一路領(lǐng)先，并成為世界上第一座熱核反應(yīng)堆的設(shè)計基礎(chǔ)。

制成能裝“太陽”的容器

這個能將幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)———人造太陽，置入其中的托卡馬克究竟身為何物?

托卡馬克(TOKAMAK)在俄語中是“環(huán)形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞的組合，即環(huán)流磁真空室的縮寫。

曾因成功解釋切倫科夫輻射現(xiàn)象獲1958年諾貝爾物理學(xué)獎的蘇聯(lián)著名物理學(xué)家塔姆，早在20世紀(jì)50年代初，就提出了用環(huán)形強(qiáng)磁場約束高溫等離子體的設(shè)想。

他認(rèn)為，把強(qiáng)電流產(chǎn)生的極向磁場與環(huán)形磁場相結(jié)合，可望實現(xiàn)高溫等離子體的磁約束。受這一思想的啟發(fā)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿奇莫維奇開始了這一裝置的研究。最初，他們在環(huán)形陶瓷真空室外套多匝線圈，利用電容器放電使真空室形成環(huán)形磁場。與此同時，用變壓器放電，使等離子體電流產(chǎn)生極向磁場。后來又利用不銹鋼真空室代替陶瓷真空室，還改進(jìn)了線圈的工藝，增加了匝數(shù)，改進(jìn)了磁場位形，最后成功地建成了一個高溫等離子體磁約束裝置。阿奇莫維奇將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克。

具有奇特旋轉(zhuǎn)磁場位形的托卡馬克的出現(xiàn)，使受控核聚變研究取得了重大的進(jìn)展。自20世紀(jì)70年代起，世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美、歐、日、蘇建造了四個大型托卡馬克，中國科學(xué)院物理所繼第一臺小型托卡馬克CT-6于1975年投入運行后，1984年6月，又建成了中國環(huán)流1號(HL-1)。2002年12月，中國環(huán)流器2號A，在成都核工業(yè)西南物理研究院建成并投入運行。

目前，全世界有30多個國家及地區(qū)開展了核聚變研究，運行的托卡馬克裝置至少有幾十個。

毋庸諱言，ITER計劃還處于籌備與起步階段，遙望太陽騰空之處依舊是層疊群山。但是，迎接挑戰(zhàn)是人類進(jìn)步的重要原動力。我們有理由相信，不遠(yuǎn)的將來，世界各國的聚變精英定會不負(fù)使命，在托卡馬克之中變出個太陽給你看。