“人造太陽”的原理
“人造太陽”，就是模仿太陽上時(shí)刻都在發(fā)生的核聚變。核聚變就是兩個(gè)原子核相聚、碰撞，結(jié)合成一個(gè)新的原子核的過程。氫的兩個(gè)同位素——氘和氚的原子核聚合在一起，生成一個(gè)氦原子核，同時(shí)釋放出一個(gè)中子，伴隨著大量伽馬射線和中微子等物質(zhì)，這意味著質(zhì)量的虧損。根據(jù)愛因斯坦那個(gè)著名的質(zhì)能方程式E=mc2，質(zhì)量的虧損意味著能量的釋放——兩個(gè)氫同位素的聚變大約能夠釋放17.6兆電子伏特的能量。
從上世紀(jì)50年代中后期到70年代末，各國對(duì)核聚變多途徑的研究完成了“原理性探索”，到70年代末，蘇聯(lián)專家制造的托卡馬克裝置成為磁約束聚變的主流，國際核聚變研究開始集中到托卡馬克裝置的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)。美國、歐洲、日本都相繼建立了自己的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我國也由中科院物理所研制出首臺(tái)裝置CT-6。然而，托卡馬克建堆需要三個(gè)要素:“高溫度、高密度和足夠的能量約束時(shí)間?！敝钡缴鲜兰o(jì)90年代，這些條件才逐漸接近或達(dá)到這三個(gè)要素，核聚變發(fā)電的可行性才得到證實(shí)
1938年，德國科學(xué)家貝特、魏茨澤克獨(dú)立地推測(cè)太陽能源可能來自它的內(nèi)部氫核聚變成氦核的熱核反應(yīng)，這甚至早于核裂變模型的提出。然而，與能夠在室溫下進(jìn)行的裂變不同，聚變發(fā)生需要巨大能量。這是因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)帶正電的氫原子核靠近的時(shí)候，根據(jù)“同性相斥”的原理，相互間的斥力將阻礙聚變的發(fā)生。
要克服這種阻礙，只有兩種途徑:強(qiáng)大的引力，或上億度的高溫。太陽的質(zhì)量是1989億億億噸，約為地球質(zhì)量的33萬倍。在它的強(qiáng)大引力場(chǎng)的作用下，太陽的中心溫度達(dá)到1.5億攝氏度，即使表面溫度只有6000攝氏度左右，也能夠支持核聚變的持續(xù)發(fā)生。然而，地球上并不具有這樣強(qiáng)大的引力場(chǎng)。因此，要想在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變，只能依靠上億度的高溫。
不過，這又帶來了新麻煩:如此高溫下，核聚變?nèi)剂暇统蔀榈入x子體。所謂等離子體，是在固體、液體和氣體上的物質(zhì)形態(tài)。在等離子體狀態(tài)下，物質(zhì)微粒的運(yùn)行更難以捉摸。而實(shí)現(xiàn)可控制的核聚變，就必須約束這些“亂跑”的等離子體。那么，怎樣在高溫下約束等離子體的運(yùn)行？
20世紀(jì)40年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了“磁約束”概念，即通過強(qiáng)大的磁場(chǎng)形成一個(gè)封閉的環(huán)繞型磁力線，讓等離子體沿磁力線運(yùn)行。磁體通電后會(huì)產(chǎn)生巨大磁場(chǎng)，將等離子體攬?jiān)趹阎凶龈咚俾菪\(yùn)動(dòng)，就好像鏈球運(yùn)動(dòng)員一樣，雖然球在圍著身體高速旋轉(zhuǎn)，控制球的繩子卻一直抓在手里。根據(jù)這一原理，蘇聯(lián)科學(xué)家于1954年制造了第一個(gè)“環(huán)形磁約束容器”裝置——托卡馬克(Tokamak)。
新的問題又出現(xiàn)了:要約束這些能量巨大的等離子體，就必須要強(qiáng)大的磁場(chǎng);而強(qiáng)大的磁場(chǎng)需要強(qiáng)大的電流。根據(jù)電學(xué)方程，電流遇到電阻會(huì)產(chǎn)生熱量。事實(shí)上，以往的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，大多是因?yàn)檫@一過程產(chǎn)生大量熱量而只能脈沖運(yùn)行，并且耗電巨大。怎樣避免這一缺陷？
1912年，荷蘭物理學(xué)家開默林-昂內(nèi)斯在偶然間發(fā)現(xiàn)，他的水銀樣品在低溫4.25K左右(零下269攝氏度左右)時(shí)電阻消失，接著，他又發(fā)現(xiàn)鉛、錫等金屬也有這樣的現(xiàn)象。他將這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。這一發(fā)現(xiàn)，開辟了一個(gè)嶄新的物理領(lǐng)域。在解決人工可控核聚變裝置的散熱問題時(shí)，科學(xué)家們想到了超導(dǎo)。
在超導(dǎo)的應(yīng)用技術(shù)中，中國科學(xué)家走在了各國同行的前列。在ITER項(xiàng)目中，超導(dǎo)技術(shù)是中國的強(qiáng)項(xiàng)，也是主要貢獻(xiàn)之一。在超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用下的磁約束裝置，能使“人造太陽”給我們帶來持續(xù)的溫暖。（陳超 陳曉晨/三聯(lián)生活周刊）
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