“人造小太阳”何时升起

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视觉中国供图

今年5月，由我国科学家提出的太阳等离子体加热的革新性物理机制，发表在国际著名学术期刊《自然·天文学》上，将有望推动世界“人造小太阳”科研再上新台阶。4月12日，我国建成运行的全超导托卡马克装置成功实现403秒稳态运行。“人造小太阳”获得的这一重大突破，对加快实现核聚变能的应用具有重要意义。

在人类能源需求日益旺盛，但化石能源日益紧缺且减少碳排放压力很大、可再生能源和生物能源又面临高成本门槛的今天，核能可谓是一种相对经济、清洁、可靠的选择。而正在应用的主要核裂变材料铀在陆地上相对贫乏，因此寻找新的替代材料迫在眉睫，而正在孕育的“人造小太阳”是解除人类这一困局的终极“魔法”。

“人造小太阳”是何方神圣呢？这要从水说起。常见的水中，其实还混有两种不常见的水——重水、超重水。这3种水是由氢的三兄弟氕、氘、氚分别同氧结合形成的。氕就是最常见的氢；氘比氕重一点，因此又叫重氢；而氚又比氘重一点，所以又叫超重氢。可以说，氢的三兄弟都与人类的终极能源密切相关。世界上正在发展的氢能，就与利用水分解得到的氢（氕）有关；而氘、氚则有着更特殊的用途，它们都与核能相关。

核能的释放通常有两种形式：一种是重核裂变，即一个重原子核分裂成两个或多个中等原子量的原子核，从而释放出巨大的能量。利用重核裂变，人们造出了原子弹。目前世界上的核电站，都是依据核裂变原理建起来的，通过对反应堆加以控制实现了原子能发电。另一种是轻核聚变，是指在极高的温度下将两个质量较小的原子核合并为质量较大的新核，并放出大量能量的过程，也称热核反应、热核聚变反应。在太阳等恒星内部，由于轻核具有持续发生聚变的条件，从而能不断发出无穷的光和热。人类利用轻核聚变原理，早已造出了比原子弹杀伤力更大的氢弹，但氢弹是不可控制的核聚变，瞬间能量释放就会给人类带来灾难。

目前，中外科学家应用的“受控热核聚变反应装置”——托卡马克装置，就是利用太阳等恒星的轻核聚变原理，所以被称为“人造小太阳”，又由于这种反应是人工可控的，因此可用作能源。他们以海水中的氘、氚为主要原料，进行轻核聚变反应试验，以期建立聚变反应堆，但产生可控核聚变需要极高温度和巨大的压力，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，这样一来温度要达到上亿度才行。但如此高的温度没有一种固体容器能够承受，只能靠强大的磁场来约束。

这时，托卡马克装置出场了，它是在通电的时候具有强大磁约束力的真空环形容器。但是按照常规，托卡马克装置建反应堆不仅体积大、效率低，而且放电时间很短，无法长期稳态运行。不过，超导托卡马克为解决这一问题提供了最有效的途径。因此，美国、日本等国家开始研制这种实验装置，其中最为关键的步骤，则是国际热核反应堆计划，包括欧盟、日本和我国等在内的七方参与，于2006年正式启动。

位于安徽合肥的中国科学院等离子体物理研究所，于2006年初建成了由我国自行设计、自行研制的新一代“人造小太阳”实验装置——全超导托卡马克装置。它的建成使我国成为世界上第四个拥有全超导装置的国家，这也是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克，从而使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。

现在，我国的“人造小太阳”已基本成形，科学家认为再经过30年左右的时间，也就是在本世纪中叶世界上核聚变能可实现应用。不过，更乐观的估计是我国将在2028年实现核聚变发电。到那时，中国品牌的“人造小太阳”有望成功升起。

（作者系湖南省科普作家协会会员）

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