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核聚变的困惑http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2004-07-08
编者按：以下两篇文章可算作对现在比较流行的热核聚变方面研究现状的总陈述。在这里，我们对于某些观点不作讨论。因为它有历史性的资料来源。 以下正文部分。
随着中国决定将要加入“国际热核聚变实验堆”(ITER)计划，核聚变发电以及ITER的话题逐渐多了起来。这是继“双星”计划和“伽利略”导航卫星计划之后，中国即将要加 入的第三个大型国际科技合作项目。与前两个项目相比，这个项目可谓工程巨大。只是建造一个实验堆，即所谓的托卡马克就需40多亿欧元，加之后续的运转费用，总计约要100亿欧元。中国如果加入的话，总共要出资约10亿欧元，这对我们这样的发展中国家来说，的确不是个小数目，因而在业内引起了不小的争论，偶尔也会见诸报端。 ITER计划的前景并不十分明朗，它从1985年开始酝酿，至今，其他参与国家已经投入很多。对于我国来说，加入ITER虽然是一个较大的负担，但此时加入是一个机会，否则可能会与之失之交臂。ITER一旦成功，我们会得到共享技术的权利。权衡利弊之际，争论也就很自然了。 我曾经问身边的一些朋友和同事：托卡马克为何物？得到的回答几乎都是摇头，知道ITER的人就更少了。实际上，从第一个托卡马克装置运行到现在，已经整整50年了，热核聚变研究也至少50多年了，而且，据说目前全世界已有30多个国家和地区在进行受控核聚变的研究，投入了大量人力和物力，已经建造了上百个实验装置，从事研究的科技人员约有1.2万多人，每年所用经费也已超过20亿美元。要说起来，核聚变的研究规模也够宏大的了，但公众(尤其我国公众)对此却知之甚少。究其原因，也许是核聚变研究少有振奋人心的成果或突破，让人无法兴奋起来。50多年了，投身于这个领域的科学家一直在默默无闻地埋头工作。 ITER也可以说是被逼出来的产物。还没有一项技术研究像核聚变研究这样有如此广泛的国际合作，也没有一项技术像核聚变这样既给人希望又令人失望。从事这一行的人大概都知道，这一行里几乎无秘密可言。用他们的话来说就是，即使我告诉你该怎么做，你也做不出更好的结果。以至于不仅信息共享，就连一些设备和材料也可以共享。像中科院等离子体所的许多设备都是各国同行赠送的，如目前正在运行的HT-7就是苏联无偿赠送的，其他许多附属设备也是各国闲置不用而赠送的，反过来，我们做实验时各地同行都可参与。由此也可以看到核聚变研究的难度有多大。 几经周折，ITER计划总算又继续进行了，因为它是人们的希望所在。但它只是一个实验堆，要解决若干目前还未解决的核聚变的技术难题。这一过程就要十几年的时间，之后还要建一个示范堆，不知还要花费多少年。最终建一个商业堆，才能说离应用不远了。这也可以说是一个漫长的过程，乐观地估计要30年，但科学家接受以前的经验，不敢过于乐观，较有把握地说要50年。 有人给核聚变研究总结出一个规律，就是30年周期。从核聚变研究初始，人们就预言过，30年可以做到实用。结果第一个30年过去时，连等离子体还没有约束好，更不要说核聚变了。上个世纪70年代，人们改进了约束磁场的位形，结果又看到了希望，接着开始了新一轮的研究热潮，各国争相建造大型托卡马克。又有人预言30年可以成功，结果又到30年了，至今托卡马克仍是脉冲式运行，没有达到稳态运转。但给人带来希望的是，实现了氘-氚的核聚变，这又引出了下一个30年。 尽管以前的预言一次次让人失望，但进步还是明显的，人们坚信最终会解决这个难题。究竟何时能够最终解决，人们还是没有把握。即便如人所愿，在可预见的未来解决了问题，其成本也是昂贵的。有人按ITER计划的要求核算，无论是30年还是50年实现商业核聚变发电，它每度电的成本是现有常规能源的四五倍，比直接利用太阳能可能还要高。但是我们不言放弃，面对能源危机，这总是人类寻找新型能源的一条出路。用科学家的话来说，“有总比没有强”。 古希腊神话中，普罗米修斯为人类盗得天火而备受折磨。今天的科学家们也正在试图“盗取”天火，造个太阳，当然也要经历很多磨难。但我们相信，只要我们锲而不舍，总会找到一种更合理的方式来利用核聚变能源，造福人类。(《科学世界》)
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为了获取电力造成严重的空气污染
原子模型 50多年来的热核聚变研究一直围绕着一个主题，就是要实现可控的核聚变反应，造出一个人造太阳，一劳永逸地解决人类的能源之需。 地球上的化石燃料已经所剩无几，人类如何找到理想的替代能源？50多年来的热核聚变研究一直围绕着一个主题，那就是要实现可控的核聚变反应，造出一个人造太阳，一劳永逸地解决人类发展的能源之需。国际热核聚变试验堆的即将启动为人类实现这个梦想带来了曙光。再用50年，人们能看到人造太阳吗？ 万物生长靠太阳，人类生存自然也离不开太阳。我们生火煮饭的柴草来自太阳，水力发电来自太阳，汽车里燃烧的汽油来自太阳……实际上，迄今为止，除了核能以外，我们使用的所有能源几乎都来自太阳。太阳像所有的恒星一样进行着简单的热核聚变，向外无休止地辐射着能量。 我们现今所使用的能源，有些直接来自太阳，有些是太阳能转化的能源，像水能、风能、生物能，有些是早期由太阳能转化来的一直储存在地球上的能源，像煤炭、石油这样的化石燃料。人类社会发展到今天，仅靠太阳给予的可用能源已经不够用了。人类能源消耗快速增加，水能的开发几近到达极限，风能、太阳能无法形成规模。我们今天使用的主要能源是化石燃料，再有100多年即将用尽。人们还抱怨化石燃料对大气造成了污染，增加了温室气体。要知道它们是太阳和地球用了上亿年才形成的，但只够人类使用三四百年，而且它们是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人类重要的自然资源，作为燃料烧掉是非常可惜的。人们无不担心，煤和石油烧完了，而其他能源又接替不上该怎么办？能源危机开始困扰着人类，人们一直在寻找各种可能的未来能源，以维持人类社会的持续发展。 造一个太阳 细心的人会发现，在元素周期表中，虽然元素是由质子和中子成对增加依次构成的，但是原子的重量却不是按质子和中子的增加而等量增加的。在较轻的原子中，质子和中子的重量偏重，如果两个轻的原子合成一个重原子，两个轻原子的原子量之和往往重于合成的重原子。同样，在较重的原子中，质子和中子的重量也偏重，一个重原子分裂为两个轻原子，重原子的原子量一般重于两个轻原子之和。只是在铁元素附近的原子中，质子和中子的重量偏轻。由此可见，在原子核反应中，质量是不守恒的，即出现了所谓的质量亏损。这些质量到哪里去了呢？按照爱因斯坦的质能关系公式E=mc2，亏损的质量转换为能量，由于c2是个巨大的系数，很小的质量就可释放出巨大的能量。科学家正是基于这一点，利用重金属的核裂变制造出了原子弹，利用轻元素的核聚变制造出了氢弹。 原子弹和氢弹的巨大威力令人惧怕，同时也让人们兴奋，因为原子中蕴藏的能量太大了，能否利用这种能源是人们自然想到的问题。原子弹和氢弹中的巨大能量是在瞬间释放出来的，而要作为常规能源使用，就必须实现可控制的核裂变和核聚变。对于核裂变来说，控制起来相对比较容易，裂变核电站早已经实现商业运行。但能用来产生核裂变的铀235等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命的放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。 对人们来说，最具诱惑力的自然是核聚变，它的单位质量产生的能量比核裂变还要大几倍。实际上，宇宙中最常见的就是氢元素的聚变反应，所有的恒星几乎都在燃烧着氢，因为氢是宇宙中最丰富的元素。氢的聚变反映在太阳上（还有少量其他核聚变）已经持续了近50亿年，至少还可以再燃烧50亿年。氢在地球上也是非常丰富的，每个水分子中都有2个氢原子，但最容易实现的聚变反应是氢的同位素—氘与氚的聚变（氢弹就是这种形式的聚变）。氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。就氘来说，它是海水中重水（水分子为H2O，重水为D2O，只占海水中的一小部分）的组成元素，海水中大约每6500个氢原子中有1个氘原子。每升水约含30毫克氘（产生的聚变能量相当于300升汽油），其储量就多达40万亿吨。一座1000兆瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304公斤，海水中的氘足够人类使用上百亿年，这就比太阳的寿命还要长了，更不要说再使用氢了。另外，除氚具有放射性危险之外，氘-氚聚变反应不产生长寿命的强放射性核废料，其少量放射性废料也很快失去放射性。氘-氘反应没有任何放射性。可以说氢及其同位素的聚变反应是一种高效清洁的能源，而且真正是用之不绝。既然恒星上都在进行着这样的核聚变，地球上也不缺这种核聚变的原料，只要实现可控的核聚变，就可以造出一个供人们永久使用的“太阳”。实际上，自从人们揭开太阳燃烧的秘密以来，就一直希望模仿太阳在地球上实现核聚变从而为人类提供无尽的能源。尽管50多年过去了，人们只见到了氢弹的爆炸，而没有看到一座核聚变发电站的出现，但它诱人的前景依然是人们心中一个割舍不去的梦。 比想象的要难 在太阳上由于引力巨大，氢的聚变可以自然地发生，但在地球上的自然条件下却无法实现自发的持续核聚变。在氢弹中，爆发是在瞬间发生并完成的，可以用一个原子弹提供高温和高压，引发核聚变，但在反应堆里，不宜采用这种方式，否则反应会难以控制。 根据核聚变发生的机理，要实现可控制的核聚变实际上比造个太阳要难多了。我们知道，所有原子核都带正电，两个原子核要聚到一起，必须克服静电斥力。两个核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。要使它们联起手来并不难，难的是既要让它们有拉手的机会又不能让他们过于频繁地拉手。要使它们有机会拉手，就要使粒子间有足够的高速碰撞的机会，这可以增加原子核的密度和运动速度。但增加原子核的密度是有限制的，否则一旦反应加速，自身放出的能量会使反应瞬间爆发。据计算，在维持一定的密度下，粒子的温度要达到1～2亿度才行，这要比太阳上的温度（中心温度1500万度，表面也有6000度）还要高许多。但这样高的温度拿什么容器来装它们呢？ 这个问题并没有难倒科学家，20世纪50年代初，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念。苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路，不断进行研究和改进，于1954年建成了第一个磁约束装置。他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）。托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离了的等离子体。我们知道，一般物质到达10万度时，原子中的电子就脱离了原子核的束缚，形成等离子体。等离子体是由带正电的原子核和带负电的电子组成的气体，整体是电中性的。在磁场中，它们的每个粒子都是显电性的，带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动，所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不着，也不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了，它可以把炙热的等离子体托举在空中。 人们本来设想，有了“面包炉”，只需把氘、氚放入炉内加火烤制，把握好火候，能量就应该流出来。其实不然，人们接着遇到的麻烦是，在加热等离子体的过程中能量耗散严重，温度越高，耗散越大。一方面，高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；另一方面，高温下的电磁辐射也要带走能量。这样，要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度，不是件容易的事。另外，磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊，等离子体会从磁笼里钻出去，而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形，就会变得极不稳定，造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的内壁上。 步步逼近 托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场（环向场）线圈，产生环向磁场，约束等离子体，极向场控制等离子体的位置和形状，中心螺管也产生垂直场，形成环向高电压，激发等离子体，同时加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。 几十年来，人们一直在研究和改进磁场的形态和性质，以达到长时间的等离子体的稳定约束；还要解决等离子体的加热方法和手段，以达到聚变所要求的温度；在此基础上，还要解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题。每一次等离子体放电时间的延长，人们都为之兴奋；每一次温度的提高，人们都为之欢呼；每一次输出能量的提高，都意味着我们离聚变能的应用更近了一步。尽管取得了很大进步，但障碍还是没有克服。到目前为止，托卡马克装置都是脉冲式的，等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算，个别可达到分钟级，还没有一台托卡马克装置实现长时间的稳态运行，而且在能量输出上也没有做到不赔本运转。 为了维持强大的约束磁场，电流的强度非常大，时间长了，线圈就要发热。从这个角度来说，常规托卡马克装置不可能长时间运转。为了解决这个问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，也许这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一。目前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行，它们都只有纵向场线圈采用超导技术，属于部分超导。其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒的条件下，等离子体温度为2000万度，中心粒子密度每立方米1.5×1019个。中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置，目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行。 50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫。在上世纪70年代，人们对约束磁场研究有了重大进展，通过改变约束磁场的分布和位形，解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克，即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR），欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET），日本1985年建成的JT-60，苏联1982年建成超导磁体的T-15，它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献。特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。这一输出功率已达到当时输入功率的60%。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。 中国的核聚变研究也有较快的发展，西南物理研究院1984年建成中国环流器一号（HL-1），1995年建成中国环流器新一号。中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT-7。HT-7是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置，经等离子体物理研究所的不断改进，它已成为一个宠大的实验系统。它包括HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。在十几次实验中，取得若干具有国际影响的重大科研成果。特别是在2003年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。在HT-7的基础上，等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U（后来名字更改为EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak），目前正在组装阶段，预计2005年建成。 EAST或者称“实验型先进超导托卡马克”，是一台全超导托卡马克装置，受到国际同行的瞩目。国际专家普遍认为，EAST可能将成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克。该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性，更有利于科学家探索等离子体稳态先进运行模式，其工程建设和物理研究将为“国际热核聚变实验堆”（ITER）的建设提供直接经验和基础。 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，从堆芯上亿度的高温到线圈中零下269度的低温，就可见一斑。 合作之路 从上个世纪50年代初，美国和苏联分别开始秘密地研究可控的核聚变，因为核聚变反应堆不仅可以获取用之不绝的能源，还可以用作稳定的中子源，例如可用来生产核裂变原料。但理论研究和实验技术上遇到一个又一个难以逾越的障碍，不久独立进行研究的各国就认识到这件事并不容易，只有开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能利用的可行之路。随后逐渐相互公开研究资料和进展，开始了合作之路。即使在冷战时期，其他核技术都是相互保密的，惟独热核聚变技术是相互公开的。 1985年，美国总统里根和苏联总统戈尔巴乔夫，在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划，要求“在核聚变能方面进行最广泛的、切实可行的国际合作”。戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗后来又进行了几次高层会晤，支持在国际原子能机构主持下，进行国际热核实验反应堆，即ITER的概念设计和辅助研究开发方面的合作。 1987年春，国际原子能机构总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、苏联的代表在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的国际合作问题，并达成协议，四方合作设计建造国际热核实验堆，并由此诞生了第一个国际热核实验堆的概念设计计划。计划将于2010年建成一个实验堆，预期产生热功率1500兆瓦、等离子体电流2400万安培，燃烧时间可达16分钟。 随后，由于苏联的解体，计划受到很大影响，1999年美国的退出使ITER计划雪上加霜。日本和欧共体国家于是成为支持国际磁约束聚变研究计划的主体力量。经过多年的努力，ITER工程设计修改方案也终于在2001年6月圆满完成。 根据计划，首座热核反应堆将于2006年开工，总造价为约40亿欧元。聚变功率至少达到500兆瓦。等离子体的最大半径6米，最小半径2米，等离子体电流1500万安培，约束时间至少维持400秒。未来发展计划包括一座原型聚变堆在2025年前投入运行，一座示范聚变堆在2040年前投入运行。 2003年2月18日，美国宣布重新加入这一大型国际计划，中国也于前一个月正式加入该项计划的前期谈判。19日，国际热核实验反应堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡决定，将于2013年前在日本、西班牙、法国和加拿大四国中的一个国家中建成世界上第一座热核反应堆。 2003年12月20日在华盛顿召开的一次非常热闹的会议上出现了两军对垒的形势：欧盟、中国和俄罗斯主张把反应堆建在法国的卡达拉齐，而美国、南朝鲜和日本则主张建在日本的六所村。因为没有选择加拿大作为反应堆候选国，加拿大政府随后宣布，由于缺乏资金退出该项目。 ITER的相关会议确定，反应堆所在国出资48%，其他国家各出资10%。目前各项细节谈判正在紧锣密鼓地进行之中，反应堆建在哪里还没有最终确定。 尽管ITER计划采用了最先进的设计，综合了以往的经验和成果，比如采用全超导技术，但它的确还面临重重挑战。即使它能如期在2013年如期建成，这个10层楼高的庞大机器能否达到预期目标也还是个未知数。诸如探索新的加热方式与机制为实现聚变点火，改善等离子体的约束性能，反常输运与涨落现象研究等前沿课题，偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关还有待于各国科技工作者群力攻关。即使对ITER的科学研究真的成功了，聚变发电站至少还要30～50年以后才能实现。 尽管如此，我们还是看到了人造太阳露出的晨曦。 （本文经中科院等离子体所装置总体设计研究室武松涛主任审读）（科学世界）
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