河南文化產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊:昨天（16日），國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆7個(gè)成員國代表齊聚中國江蘇，共同研究這一可能影響人類從根本上解決能源問題的計(jì)劃。被稱為"人造太陽"的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，它承載的是人類未來新能源的希望。
人造太陽
所謂“人造太陽”，即先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，也即國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)建設(shè)工程，是當(dāng)今世界迄今為止最大的熱核聚變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在在地球上模擬太陽的核聚變，利用熱核聚變?yōu)槿祟愄峁┰丛床粩嗟那鍧嵞茉?。核聚變能以氘氚為燃料，具有安全、潔凈、資源無限3大優(yōu)點(diǎn)，是最終解決全人類能源問題的戰(zhàn)略新能源。
在太陽的中心，溫度高達(dá)1500萬攝氏度，氣壓達(dá)到3000多億個(gè)大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置，無休止地向外輻射著能量。
核聚變能是兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核時(shí)釋放的能量，產(chǎn)生聚變的主要燃料之一是氫的同位素氘。氘廣泛的分布在水中，每一升水中約含有30毫克氘，通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油的熱能。采集氘并使之與相關(guān)物質(zhì)聚變產(chǎn)生能量，就是人造太陽的原理。
20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)，于1954年建成了第一個(gè)磁約束裝置。他將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克（tokamak）。托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個(gè)由封閉磁場組成的“容器”，像一個(gè)中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。
托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場（環(huán)向場）線圈，產(chǎn)生環(huán)向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也產(chǎn)生垂直場，形成環(huán)向高電壓，激發(fā)等離子體，同時(shí)加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。
幾十年來，人們一直在研究和改進(jìn)磁場的形態(tài)和性質(zhì)，以達(dá)到長時(shí)間的等離子體的穩(wěn)定約束；還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達(dá)到聚變所要求的溫度；在此基礎(chǔ)上，還要解決維持運(yùn)轉(zhuǎn)所耗費(fèi)的能量大于輸出能量的問題。每一次等離子體放電時(shí)間的延長，人們都為之興奮；每一次溫度的提高，人們都為之歡呼；每一次輸出能量的提高，都意味著我們離聚變能的應(yīng)用更近了一步。盡管取得了很大進(jìn)步，但障礙還是沒有克服。到目前為止，托卡馬克裝置都是脈沖式的，等離子體約束時(shí)間很短，大多以毫秒計(jì)算，個(gè)別可達(dá)到分鐘級，還沒有一臺托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而且在能量輸出上也沒有做到不賠本運(yùn)轉(zhuǎn)。
為了維持強(qiáng)大的約束磁場，電流的強(qiáng)度非常大，時(shí)間長了，線圈就要發(fā)熱。從這個(gè)角度來說，常規(guī)托卡馬克裝置不可能長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。為了解決這個(gè)問題，人們把最新的超導(dǎo)技術(shù)引入到托卡馬克裝置中，也許這是解決托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的有效手段之一。目前，法國、日本、俄羅斯和中國共有4個(gè)超導(dǎo)的托卡馬克裝置在運(yùn)行，它們都只有縱向場線圈采用超導(dǎo)技術(shù)，屬于部分超導(dǎo)。其中法國的超導(dǎo)托卡馬克Tore-Supra體積較大，它是世界上第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的裝置，在放電時(shí)間長達(dá)120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個(gè)。中國和韓國正在建造全超導(dǎo)的托卡馬克裝置，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)托卡馬克更長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
50年來，全世界共建造了上百個(gè)托卡馬克裝置，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足了功夫。在上世紀(jì)70年代，人們對約束磁場研究有了重大進(jìn)展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側(cè)向漂移問題。世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個(gè)大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學(xué)建成的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（TFTR），歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET），日本1985年建成的JT-60，蘇聯(lián)1982年建成超導(dǎo)磁體的T-15，它們后來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻(xiàn)。特別是歐洲的JET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氘、氚的聚變反應(yīng)。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了攝氏3億度，聚變能量約束時(shí)間達(dá)2秒。反應(yīng)持續(xù)1分鐘，產(chǎn)生了1018個(gè)聚變反應(yīng)中子，聚變反應(yīng)輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創(chuàng)造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新記錄。這一輸出功率已達(dá)到當(dāng)時(shí)輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達(dá)1.25。
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