我们点亮“核太阳”(摘录)

捕捉太阳能源秘密 

　　1960年代的美国公路上，一辆装满了各种液体的小货车在南达科他州转来转去。开车的是物理学家雷蒙德·戴维斯，他想寻找一处合适的场所，来验证核物理学家汉斯·阿尔伯特·贝特关于太阳能量来源的一个猜想。 

　　贝特在1938年提出的一个反应式让雷蒙德·戴维斯记忆深刻：在这个反应式中4个氢原子能通过分别聚合成氘和氚的途径，最终聚合成氦原子，这一过程释放出大量能量（MeV）和中微子(Ve)。这些释放出来的中微子称为太阳中微子，它们将随着太阳辐射穿过地球。贝特认为，太阳及其它恒星的主要成份是氢和氦，在极度高温和高压的条件下会发生核聚变，释放出巨大的能量。遗憾的是，尽管贝特关于恒星能源机理的理论受到普遍认同，并因此获得1967年诺贝尔物理学奖，但并没有确切的实验观测能够支持这一论点。这与中微子的特性有关。 

　　中微子是一种行为鬼祟的粒子。它几乎能穿透所有物质，且与其它物质间的作用力极弱，因此任何实验仪器都不容易对它作测量。雷蒙德·戴维斯决心要捕捉这个鬼祟的太阳来客。理论上说，地球每平方厘米的面积每秒便有超过10亿颗中微子穿过，为了找一道天然的厚墙屏障，戴维斯选择了南达科他州的一个金矿地洞做实验场所。他把一个装着超过600吨四氯化二碳液体的巨箱放在1500米深的地底下。这种液体在干洗店就能买到，它里面的氯原子能和太阳中微子发生反应，生成氩和电子，只要捕捉到氩原子就能证明太阳核聚变的存在。 

　　从1968年开始，雷蒙德在这个金矿里度过了20多年，烦闷的时候就在地底矿坑的水池游泳。尽管放置在矿坑里的600吨四氯化二碳液体内有超过10亿亿个氯原子，但直到1994年，雷蒙德·戴维斯才得到了足够的氩原子数据。这个实验验证了太阳中微子的存在，也证明了太阳确实是通过核聚变来产生能量的。这一发现为雷蒙德·戴维斯赢得了2002年诺贝尔物理学奖。 

　　EAST的巨大“肚子”里也进行类似的核聚变反应，不同的是，在这里人们使用氢的两种同位素——氘和氚来聚变成氦，以获得用来发电的能源。在通常的核电站中，人们用铀235或铀238裂变获得发电的能量。这两种利用核能的手段原理相似，轻核聚合成中等质量核或重核裂解为中等质量核时都有质量亏损发生，这部分质量会转化为能量释放出来。由于氢原子的核子平均结合能很小，它们结合成结合能较大的氦原子时亏损的质量更大。在EAST内进行的核聚变释放的能量要比普通核电站获得的能量大1000倍左右。 

　　“相对核电站来说，这绝对是一种清洁能源。” EAST超导托卡马克运行总负责人、东华大学教授罗家融说。产生聚变的主要燃料氘广泛分布在海水中，每一升海水中约含有30毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。理论上一座1000兆瓦的核聚变电站，每年只需要从海水中提取304公斤的氘。照这样计算，地球上仅在海水中就含有的45万亿吨氘，足够人类使用上亿年。 

　　磁场里的所罗门魔瓶 

　　然而今天世界各地的核电厂仍在采用核裂变方式运行，尽管裂变需要的铀、钚等重金属元素含量稀少，且带有危险的放射性。这是因为人们试图将核聚变应用到现实中时遇到了更大的难题：两个带正电的氢原子核靠近的时候，相互间存在的库伦斥力将阻碍聚变的发生，要产生聚变需要更强大的能量——这几乎超出人类的控制能力范围。 

　　科学家首先要把反应燃料加热到10万摄氏度，使之成为等离子体。这种状态下电子已经逃逸，原子核完全裸露了出来。然后他们要把这些等离子体继续加热到上亿度，使原子核拥有足够的动能克服库仑斥力，聚合在一起。为了避免在瞬间产生巨大的能量，等离子体的密度必须维持在合适的水平。这些上亿度的等离子体，还必须在足够长的时间里“老实地呆在容器里”，使聚变反应稳定持续地进行，不能以每秒超过1000公里的速度乱跑，也不能碰到容器的内壁。问题是，什么东西能用来装1亿摄氏度的等离子体？ 

　　二战以来，人们普遍认为实现可控制的核聚变反应，是科学狂人的异想天开。氢弹的诞生是核聚变应用化的第一个里程碑，但人们必须用一个原子弹来做氢核聚变的驱动力，这样做的后果完全不可控制。马里兰大学的物理学家威廉·多尔兰在接受《自然》杂志采访时感叹，核聚变之所以进展缓慢，是因为“我们对等离子体的不稳定性和紊乱性知之甚少”。这一状况一直持续到1954年，苏联科学家造出了第一个托卡马克(Tokamak)。 

　　罗家融拍拍面前的钢铁圆柱：“我们这个人造太阳其实就是一个托卡马克。产生能量的聚变反应，就发生在酷似外星探测器内的真空装置里面，而反应的发生需要多个子系统同时工作，比如电源系统，使线圈达到并保持超导状态的低温系统，用来抽真空的真空机组等。” 

　　所谓托卡马克，就是“环形磁约束容器装置”。1950年苏联科学家萨姆和萨哈罗夫在一份报告中提出，要用“无形的河床来约束河水”，他们利用强大的磁场形成一个封闭的环绕型磁力线，让等离子体沿磁力线做高速螺旋运动，就好像链球运动员一样，虽然球在围着身体高速旋转，控制球的绳子却一直抓在手里，不让它碰到容器壁。这就像传说中的所罗门魔瓶，但在这里起作用的不是魔法，而是磁场。 

　　“托卡马克”的概念随后被大量应用。为了达到聚变所要求的条件，托卡马克已经变为一个高度复杂的装置，十八般武艺全用上了，其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境，对工艺和材料也提出了极高的要求。中科院等离子所的这部EAST就是一部“全超导托卡马克”。 

　　“这个项目从申请到建成花了3.2亿元人民币。后来又申请了1.95亿元做外围装备。每年需要大约3600万元的运行费，它一运行，就要持续两个月，平均每天要花费50万左右。”罗家融说。除此之外，作为国际“人造太阳俱乐部”成员，中国还要承担占另一个巨大“人造太阳”ITER9％的投资费用，约合100亿元人民币。“但我们相信投入的钱是有价值的。”罗家融说。 

（来源：新知客 2008年12月8日 华龙网等转载）