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視覺中國(guó)供圖

今年5月，由我國(guó)科學(xué)家提出的太陽(yáng)等離子體加熱的革新性物理機(jī)制，發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·天文學(xué)》上，將有望推動(dòng)世界“人造小太陽(yáng)”科研再上新臺(tái)階。4月12日，我國(guó)建成運(yùn)行的全超導(dǎo)托卡馬克裝置成功實(shí)現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。“人造小太陽(yáng)”獲得的這一重大突破，對(duì)加快實(shí)現(xiàn)核聚變能的應(yīng)用具有重要意義。

在人類能源需求日益旺盛，但化石能源日益緊缺且減少碳排放壓力很大、可再生能源和生物能源又面臨高成本門檻的今天，核能可謂是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、清潔、可靠的選擇。而正在應(yīng)用的主要核裂變材料鈾在陸地上相對(duì)貧乏，因此尋找新的替代材料迫在眉睫，而正在孕育的“人造小太陽(yáng)”是解除人類這一困局的終極“魔法”。

“人造小太陽(yáng)”是何方神圣呢？這要從水說(shuō)起。常見的水中，其實(shí)還混有兩種不常見的水——重水、超重水。這3種水是由氫的三兄弟氕、氘、氚分別同氧結(jié)合形成的。氕就是最常見的氫；氘比氕重一點(diǎn)，因此又叫重氫；而氚又比氘重一點(diǎn)，所以又叫超重氫?？梢哉f(shuō)，氫的三兄弟都與人類的終極能源密切相關(guān)。世界上正在發(fā)展的氫能，就與利用水分解得到的氫（氕）有關(guān)；而氘、氚則有著更特殊的用途，它們都與核能相關(guān)。

核能的釋放通常有兩種形式：一種是重核裂變，即一個(gè)重原子核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等原子量的原子核，從而釋放出巨大的能量。利用重核裂變，人們?cè)斐隽嗽訌?。目前世界上的核電站，都是依?jù)核裂變?cè)斫ㄆ饋?lái)的，通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆加以控制實(shí)現(xiàn)了原子能發(fā)電。另一種是輕核聚變，是指在極高的溫度下將兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核合并為質(zhì)量較大的新核，并放出大量能量的過(guò)程，也稱熱核反應(yīng)、熱核聚變反應(yīng)。在太陽(yáng)等恒星內(nèi)部，由于輕核具有持續(xù)發(fā)生聚變的條件，從而能不斷發(fā)出無(wú)窮的光和熱。人類利用輕核聚變?cè)?，早已造出了比原子彈殺傷力更大的氫彈，但氫彈是不可控制的核聚變，瞬間能量釋放就會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)難。

目前，中外科學(xué)家應(yīng)用的“受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置”——托卡馬克裝置，就是利用太陽(yáng)等恒星的輕核聚變?cè)恚员环Q為“人造小太陽(yáng)”，又由于這種反應(yīng)是人工可控的，因此可用作能源。他們以海水中的氘、氚為主要原料，進(jìn)行輕核聚變反應(yīng)試驗(yàn)，以期建立聚變反應(yīng)堆，但產(chǎn)生可控核聚變需要極高溫度和巨大的壓力，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過(guò)提高溫度來(lái)彌補(bǔ)，這樣一來(lái)溫度要達(dá)到上億度才行。但如此高的溫度沒有一種固體容器能夠承受，只能靠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束。

這時(shí)，托卡馬克裝置出場(chǎng)了，它是在通電的時(shí)候具有強(qiáng)大磁約束力的真空環(huán)形容器。但是按照常規(guī)，托卡馬克裝置建反應(yīng)堆不僅體積大、效率低，而且放電時(shí)間很短，無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。不過(guò)，超導(dǎo)托卡馬克為解決這一問(wèn)題提供了最有效的途徑。因此，美國(guó)、日本等國(guó)家開始研制這種實(shí)驗(yàn)裝置，其中最為關(guān)鍵的步驟，則是國(guó)際熱核反應(yīng)堆計(jì)劃，包括歐盟、日本和我國(guó)等在內(nèi)的七方參與，于2006年正式啟動(dòng)。

位于安徽合肥的中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，于2006年初建成了由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行研制的新一代“人造小太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克裝置。它的建成使我國(guó)成為世界上第四個(gè)擁有全超導(dǎo)裝置的國(guó)家，這也是世界上第一個(gè)同時(shí)具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的托卡馬克，從而使我國(guó)磁約束核聚變研究進(jìn)入世界前沿。

現(xiàn)在，我國(guó)的“人造小太陽(yáng)”已基本成形，科學(xué)家認(rèn)為再經(jīng)過(guò)30年左右的時(shí)間，也就是在本世紀(jì)中葉世界上核聚變能可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。不過(guò)，更樂(lè)觀的估計(jì)是我國(guó)將在2028年實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。到那時(shí)，中國(guó)品牌的“人造小太陽(yáng)”有望成功升起。

（作者系湖南省科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）

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