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在哈薩克斯坦阿斯塔納專項世博會中國館展出的“人造太陽”核聚變多媒體裝置。新華社發(fā)
　　近日，中國科學(xué)家又創(chuàng)造了一個“世界紀錄”。未來，我們傳統(tǒng)的能源——煤、石油、天然氣等，可能都要靠邊站了。
　　7月3日22時左右，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子物理研究所傳來捷報：我國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置首次實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行。
　　全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置，這個名字念起來有點拗口又難以理解，不過它有一個好記的名字叫“東方超環(huán)（EAST）”，也有人通俗地叫它“人造太陽”——因為它的目標(biāo)是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發(fā)生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。
　　在這次核聚變實驗中，中國科研團隊在世界上首次實現(xiàn)了5000萬攝氏度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運行，實現(xiàn)了從60秒到百秒量級的跨越。
　　聚變優(yōu)點??原料儲量豐富 產(chǎn)物沒有放射性
　　如今，對于新能源，如太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能、地?zé)崮艿?，大家都不陌生，但一個不可否認的事實是，這些新能源從根本上來說，只是一種輔助能源，還無法取代煤、石油、天然氣等化石燃料的地位。
　　從20世紀50年代開始，核電登上世界能源舞臺，并展示出巨大的威力——只要燃燒極少的燃料就可獲得巨大的能量。不過，核電站是以原子核的裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)，產(chǎn)生的放射性廢物處理起來也比較困難，而且主要核燃料鈾的儲量相對來說并不豐富，開采和提煉也十分困難；而核裂變反應(yīng)的原料之一——钚，在自然界中甚至無法找到，需要人工合成。此外，核電在人類發(fā)展史上發(fā)生的一些大事故，比如切爾諾貝利事故和福島核電站核泄漏事故，讓人們對核電站仍心有余悸。所以，雖然以核裂變?yōu)樵淼脑幽茉诩夹g(shù)上已無太多障礙，但在全球能源體系內(nèi)，核裂變在“能源宮斗”中，遲遲無法上位。
　　相對核電的核裂變來說，人造太陽的核聚變是否也會有核輻射的隱患呢？
　　答案是聚變的產(chǎn)物沒有放射性。同時，由于聚變反應(yīng)需要的條件比較高，一旦發(fā)生事故，造成反應(yīng)的等離子體約束破裂，聚變反應(yīng)便會終止。因此聚變?nèi)剂系谋４孢\輸、聚變電站的運行都比較安全。
　　與核裂變比起來，核聚變還有一個天然的巨大優(yōu)勢，它的原料儲量極其豐富。其主要燃料是存在于地球海水之中的氘（氫的同位素），而另一種原料氚（同樣是氫的同位素），可用中子轟擊鋰的方法制備；而科學(xué)家預(yù)想的聚變?nèi)剂现弧昂?3”，在月球上也有豐沛儲量。
　　關(guān)鍵裝置全超導(dǎo)托卡馬克??能約束上億攝氏度高溫等離子體
　　核聚變，對于很多人來說似乎都有些陌生。但早在20世紀50年代初，人類就實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)——氫彈爆炸。其原理簡單來說，就是用一個裂變反應(yīng)（即原子彈）作雷管，通過原子彈爆炸制造出高溫高壓，從而“引爆”聚變反應(yīng)，但這種瞬間的猛烈爆炸人類無法控制。因此，要把核聚變時產(chǎn)生的巨大能量為我們所用，必須要對劇烈的聚變核反應(yīng)加以控制，所以，人類要做的就是——受控核聚變。
　　科學(xué)家想到的一種方法是，用粒子加速器來提高原子核速度，讓其碰撞。實驗證實，這種方法可以發(fā)生聚變反應(yīng)，但是反應(yīng)釋放出的能量遠小于加速原子核所消耗的能量，顯然，此種方法只能做科學(xué)實驗，無法提供能源。
　　另一種方法是提高核燃料的溫度，物質(zhì)溫度越高，意味著其微觀粒子的無規(guī)則速度越大?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，聚變反應(yīng)需要的高溫可達上億攝氏度。那么，問題就來了，上億攝氏度的高溫，什么樣的“爐子”才能承受呢？
　　其實，在這個溫度上，物質(zhì)都處于等離子體態(tài)，也就是說，物質(zhì)的原子核和核外電子是分離的，電子不再受某一特定的原子核束縛成為自由電子，而原子失去電子也成為帶正電的離子。換言之，等離子體中的粒子“帶電”了。
　　科學(xué)家就此想到了磁場，因為帶電粒子在磁場中會繞磁力線做回旋運動，可以利用通過在容器內(nèi)建立磁場來約束等離子體，使其不與容器壁直接接觸。于是，科學(xué)家在螺線管中，讓帶電粒子沿封閉的磁力線做螺旋式運動，上億度高溫的等離子體就乖乖地被約束在這種環(huán)形的磁場中了。這種環(huán)形的磁場又叫“磁瓶”或“磁籠”，可把熾熱的等離子體“托舉”在空中。所以說，“東方超環(huán)”這次5000萬攝氏度高溫的表現(xiàn)，其實還有很大的成長空間。
　　對于這一過程，中國科學(xué)院等離子體物理研究所研究員、中國工程院院士李建剛是如此表述的——“磁約束聚變利用強磁場這一‘磁容器’來約束高溫等離子體，并進而將其加熱至上億度，從而維持連續(xù)的熱核反應(yīng)，產(chǎn)生巨大能量?！?br/>　　而這也就是“東方超環(huán)”——“托卡馬克”裝置的原理：該詞轉(zhuǎn)寫自俄語單詞Tokamak，是來源于環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）的生造詞。
　　■鏈接
　　EAST“世界紀錄”
　　高約束放電時間從60秒量級突破百秒量級
　　EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）本意為“先進實驗超導(dǎo)托卡馬克”，也具有“東方”的含意。EAST高11米、直徑4米、重達400噸，為我國第四代核聚變實驗裝置。
　　7月3日晚，EAST首次實現(xiàn)了5000萬攝氏度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運行，實現(xiàn)了從60秒到百秒量級的跨越。
　　從60秒到跨越百秒，這個量級的變化意味著什么呢？
　　李建剛介紹，我國核聚變能研究始于上世紀60年代初，EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置于2006年初成功進行了工程調(diào)試，并于2006年成功開展了兩次物理實驗， 獲得了拉長截面偏濾器等離子體。
　　EAST實驗也先后創(chuàng)下多項托卡馬克運行的世界紀錄：2012年實現(xiàn)30秒高約束等離子體放電；2016年獲得60秒的完全非感應(yīng)電流驅(qū)動（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體。
　　“穩(wěn)態(tài)高約束運行模式”是國際熱核聚變實驗堆計劃的基本運行模式，也是未來反應(yīng)堆需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。作為國際重要的長脈沖核聚變實驗平臺，EAST超導(dǎo)托卡馬克高約束放電時間實現(xiàn)百秒量級的突破，將為我國下一代核聚變裝置的建設(shè)和國際核聚變清潔能源的開發(fā)利用奠定堅實基礎(chǔ)。
　　“未來商用堆必須是全超導(dǎo)，才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行。”李建剛指出，全超導(dǎo)托卡馬克可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，并通過在穩(wěn)態(tài)運行條件下大大改善約束，為未來穩(wěn)態(tài)、先進聚變反應(yīng)堆奠定工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。
　?。ㄔd于《南方日報》 2017-07-10 A13版）