中国助力“人造太阳”早日发光

　　这些天，北京的清晨多是大晴天，阳光照在身上，浑身暖暖的。“人类可以制造一个太阳来产生光和热吗？”早在上世纪50年代，一个高中学历的苏联年轻少尉就提出了这个问题。当初这个勇敢的“空想”或将在本世纪中叶变为现实：通过模仿太阳的热核聚变反应，中外科学家们正在建造人类首颗“人造太阳”，它将带来几乎无限的清洁能源。

　　“人造太阳”计划（国际热核聚变实验堆计划，简称ITER），由欧盟、中国、美国等7大经济体联合打造，耗资50亿美元（1998年价），已历经30余年，预计2019年建成，2050年商用。作为当今最具代表性的国际大科学合作研究计划之一，它与国际空间站、人类基因组测序等项目一起，吸引了全世界的目光。如今，它正稳步推进。

　　上月底，中国承担生产和设计的首个超大部件——脉冲高压变电站（PPEN）首台主变压器，已运往“人造太阳”设施的建造地法国。随着各类设施逐渐完工，人类离建成首个“人造太阳”的目标越来越近。

　　①产生能量可用百亿年

　　为什么要制造“人造太阳”？这和人类长久以来的能源危机有关。现代以来，随着人口增加、工业发展，人类对煤、石油、天然气等化石能源的消耗速度越来越快，据测算，人类最多还能用两三百年的自然能源，即使核能也只能用数百年。

　　此外，像煤、石油这些能源的燃烧还会引发温室效应、酸雨等，对环境造成严重破坏；核电站或核能发电厂的能量来源是核裂变（能量产生过程与核聚变相反），所需原料稀有，产生的废料也没法安全处理，还可能产生核泄漏。

　　不光我们这一代，我们的子孙将从哪里弄这么多能源呢？科学家们带着这个惊恐的问题，把目光投向了核聚变。天空中的太阳就是一个巨大的聚变体，几十亿年为人类提供了光、热。那太阳是怎么做的呢？

　　简单来说，当两个质量较轻的原子核聚合为一个较重的新原子核时，大量电子和中子能够逃离原子核的束缚，带来巨大能量。在自然界中，最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘（音同刀）和氚（音同川）的聚变。据测算，1千克氢燃料经过聚变反应，至少可以抵得上4千克铀燃料或1000万千克优质煤燃料。

　　要提取它们，方法也十分简便，成本也很低。我们从海水里舀一升水，其中就含有0.03克氘，它就可以产出300公升汽油这么大的能量。地球上的海水能提取45万亿吨氘，它们都聚变的话，能保证人类上百亿年的能源消耗。

　　而且核聚变非常干净，因为聚变就是把两个氢核放在一起，当温度到了上亿度以后，它们就会聚合在一起，除了产出能量，其余产出的氦是一种清洁无害的元素。

　　②包住一团1亿度火球

　　要实现核聚变，需要两个氢核互相吸引和碰撞，这需要超高的温度和压力。

　　对太阳来说，这太容易了。太阳中心的温度高达2000万摄氏度，而且自身重力大，所需高温高压自己就有了，核聚变得以持续发生，从而不断释放能量。但是，要在地球上模拟太阳，需要把温度提升到超过1亿摄氏度，在这样高的温度下，混合了氘、氚的气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。它们的持续碰撞（以下比喻为“火球”）才能产生核聚变反应。

　　但是，要做到这点，需要解决3个难点：一、用什么方法加热气体？二、在这个超过1亿摄氏度的“火球”面前，任何固体材料都会瞬间灰飞烟灭，那么，如何“盛放”它，并使之不飞散？三、怎样让“火球”一直保持在超过1亿摄氏度？

　　上世纪50年代，人类利用核聚变原理制造了氢弹，但是，这种核聚变其实是大量聚变燃料挤压在一起，由于物质的惯性产生的，能量瞬间即释放，是不可控的，就像点燃一串鞭炮，其爆炸瞬间就完成了。那么，如何让这种爆炸像在超慢的镜头里那样发生，并变得可控制呢？

　　苏联科学家们此后开始设想，既然固体材料不行，用磁场把这团上亿摄氏度的“火球”悬浮起来不就行了吗？他们设计了一种名为托卡马克（Tokamak）的环形容器。“托卡马克”这个词在俄语中，来源于制造这个容器所需的环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。通过让混合了氘、氚的气体悬浮在一个像面包圈一样的环中，然后不断加热，等达到了上亿摄氏度以后它就产生核聚变，并输出大部分能量。这就是磁约束，这个磁场，这个环境，就叫托卡马克。

　　③有60个足球场那么大

　　苏联科学家的理论构架堪称完美，实际进程却充满了坎坷和艰难。

　　1985年，美、苏、欧、日共同启动“人造太阳”计划（简称“ITER”，在拉丁语中，它意为道路，旨在强调其提供安全、和平的能源的可能性），目标是要建造一个可自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆。由于美国在1998年退出，该计划大幅修改了原初设计，设计费用达到50亿美元（1998年价）。2003年，中国和美国先后宣布参加该计划，两年后韩国宣布参加，随后，法国和日本开始了激烈的选址大战。终于，在2006年，欧、日、俄、中、美、韩和同年加入的印度草签了建设“人造太阳”计划的国际协定。

　　需要说明的是，在这50亿美元中，欧盟贡献46%，其余6国各贡献约9%。根据协议，中国贡献中的70%以上由我国制造所约定的托卡马克部件折算，10%由我国派出所需合格人员折算，需支付国际组织的外汇不到20%。

　　按照设计，“人造太阳”计划的反应堆设施总重量是埃菲尔铁塔的3倍，占地面积有60个足球场加起来那么大。这个反应堆建成后，能够把上亿摄氏度、由氘氚组成的“火球”约束在体积达837立方米的“面包圈”中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。

　　目前，这个反应堆正在靠近法国南部普罗旺斯地区的艾克斯建造。科学家们要在“面包圈”上面设计16个大型超导环向场线圈，以产生强大的环向磁场。在这个“面包圈”的外面，还分布着各式测量它是否正常工作的系统。除了这些，整个反应堆还需要建造大型的供电系统、原料工厂和相关处理系统。

　　按计划，这个反应堆将在2019年完成，并在本世纪50年代达到商用水平，目前已经开始采购大型部件。中国今年4月底向法国输出的脉冲高压变电站（PPEN）首台主变压器，就是其中约定的一件。它的主要功能是向磁体功率电源、辅助加热系统功率电源等各类子系统提供所需的脉冲功率。

　　截至目前，中国科学家已经攻克了采购包任务中遇到的所有技术难关。我国交付“人造太阳”计划的采购包部件实现了100%国产化，而且全部一次性合格，并按期交付。该计划两任总干事对中方的评价是“中国在采购包的研发、生产方面领先于各方”。

　　尽管有质疑者开玩笑说，这个奇迹永远是“还要再等30年”，但更多人坚信，我们离这样一个清洁且几乎是无限的能源已经很近了。