核聚變其實并不復雜

“‘人造太陽’只是為了便于大眾理解的一種比喻說法，它是指科學家利用太陽核反應原理，為人類制造一種能提供能源的機器——人工可控核聚變裝置，科學家稱它為全超導托卡馬克核聚變試驗裝置。”中國科學院等離子體物理研究所聚變堆總體研究室執行主任高翔研究員對北京科技報記者表示。

中國的“人造太陽”又稱為“東方超環”（EAST），是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，也是中國第四代核聚變實驗裝置。

“人造太陽”并不能像真正的太陽那樣給我們光和熱。這也是不可能的，否則，地球上的我們離這樣的裝置這么近，還不被氣化了？哪里還有科學家做實驗？

其實，核聚變并不復雜，它是指氫原子核反應時放出巨大能量的過程。只要聚攏兩個氫同位素原子，用壓倒性的力量把它們撞在一起；兩個原子核克服了它們之間天然的排斥力實現融合，就能發生核聚變，并釋放出巨大的能量。但是在現實中，其發生反應的條件比重原子核發生的核裂變要苛刻得多。

根據科學構想，核聚變主要有冷核聚變與熱核反應兩種方式。

冷核聚變是指輕原子核在相對低溫（甚至常溫）下進行地核聚變反應，這種設想將極大的降低反應要求，只要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛，或者在較高溫度下用高強度、高密度磁場阻擋中子或者讓中子定向輸出，就可以使用更普通更簡單的設備產生可控冷核聚變反應，同時也使聚核反應更安全。不過這種情況還只是針對自然界已知存在的熱核聚變而提出的一種概念性“假設”。

熱核反應是當前很有前途的新能源獲取方式，是指參與核反應的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應。

熱核反應是氫彈爆炸的基礎，1967年6月17日中國第一顆氫彈已經爆炸成功，這個過程在瞬間產生大量熱能，但目前還無法加以利用。不過科學家們發現，如能使熱核反應在一定約束區域內，根據人們的意圖有控制地產生與進行，即可實現受控熱核反應。這也正是現在中國、美國、日本及歐盟等一些國家和組織正在進行試驗研究的重大課題。

1億度的高溫為何沒把外殼熔化？

在我國“人造太陽”取得的進展中，其所達到的1億度高溫引起了很多人的興趣。這樣的溫度究竟有多高？實在是難以想象。一個可以參考的對象是：太陽核心峰值時溫度約為1500萬攝氏度，中國“人造太陽”是太陽核心溫度的6倍。

其實，在科學家們在最開始嘗試核聚變反應時，已經在仔細考慮這個問題。因為超過萬度以上的等離子體不能用任何材料所構成的容器約束，使之不飛散，科學家們必須尋求某種途徑防止高溫等離子體逃逸或飛散。

經過不斷的研究，科學家們發現，具有閉合磁力線的環形磁場是一種最可能的選擇，因為在這種環境中帶電粒子只能沿磁力線運動。這種環形磁場也被科學界形象地稱之為磁籠。

從20世紀40年代末起，各國就開發了多種磁籠途徑。20世紀70年代開始，蘇聯科學家發明的托卡馬克裝置逐漸顯示出了獨特的優點，并在80年代成為聚變能研究的主流途徑。

托卡馬克裝置又稱環流器，是一個由環形封閉磁場組成的磁籠，很像一個中空的面包圈,等離子體在這個面包圈中運動，產生超高溫。

高翔表示，等離子體的運動離不開磁力線，它們的溫度和能量再高，也只能在磁籠中沿著磁力線旋轉運動。他打了一個十分形象的比喻，我們完全可以把高溫離子體看作是一個個穿起來的糖葫蘆，當中間的串兒變成環形的，不管上面的“糖葫蘆”如何運動，溫度高到什么地步，依舊只能在串上面運動。在聚變堆研究實驗中，只要設計好磁場，超高溫的離子就像賽道上跑的車，一定是在磁場這個懸浮的“賽道上”跑，不會和外圍的實體材料進行直接的碰撞。

另外，在設計中，盡管磁籠的中心可以達到1億度以上，但磁籠等離子體的溫度也是從中心到外圍遞減的，其最接近裝置的溫度已經降到了1萬度以下，而外邊的裝置通過水冷系統可以把溫度控制在150度到300度之間。

高翔說，在設計的托卡馬克裝置中，高能離子被磁籠完全束縛住無法逃身，就是有離子能夠逃離，一般也是能量很低的低溫離子，已經處于設備能夠承受的范圍。這也是磁籠中1億度、甚至是數億度高溫的等離子體不會導致磁籠外邊的容器等裝置被熔毀的重要原因。

1億度無法滿足核聚變利用要求

有媒體報道，考慮到氘和氚原子核發生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，中心電子溫度必須達到1億度以上，因此很多人以為1億度是氘、氚聚變堆建設的最低要求。

高翔表示，這樣的看法并不正確。因為在現在技術水平下，1億度的溫度遠不能達到氘、氚能夠聚變利用的水平。考慮到氘和氚原子核能產生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，溫度要求更高；若要達到經濟利用，則等離子體中心電子溫度必須達到4-5億度以上。

在這樣高的溫度下，氣體原子中帶負電的電子和帶正電的原子核完全脫開，可以實現各自的獨立運動。這種完全由自由的帶電粒子構成的超高溫等離子狀態中，密度、能量維持時間兩個參數也同時達到相應的要求，核聚變才能變成現實。

1億度的溫度是中國“人造太陽”工程的新記錄，但中國和國際水平還有較大的差距，目前日本已經可以實現5億度的高溫，美國和歐洲也已經達到2億度以上的水平。

高翔說，現在中國的“人造太陽”也有自己的優勢，譬如與日本的裝置相比，中國屬于更新一代，雖然目前已經實現的溫度比他們要低得多，但是在某些方面更具有優勢。

1億度無法滿足核聚變利用要求

有媒體報道，考慮到氘和氚原子核發生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，中心電子溫度必須達到1億度以上，因此很多人以為1億度是氘、氚聚變堆建設的最低要求。

高翔表示，這樣的看法并不正確。因為在現在技術水平下，1億度的溫度遠不能達到氘、氚能夠聚變利用的水平。考慮到氘和氚原子核能產生聚變反應的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產生大量核聚變反應，溫度要求更高；若要達到經濟利用，則等離子體中心電子溫度必須達到4-5億度以上。

在這樣高的溫度下，氣體原子中帶負電的電子和帶正電的原子核完全脫開，可以實現各自的獨立運動。這種完全由自由的帶電粒子構成的超高溫等離子狀態中，密度、能量維持時間兩個參數也同時達到相應的要求，核聚變才能變成現實。

1億度的溫度是中國“人造太陽”工程的新記錄，但中國和國際水平還有較大的差距，目前日本已經可以實現5億度的高溫，美國和歐洲也已經達到2億度以上的水平。

高翔說，現在中國的“人造太陽”也有自己的優勢，譬如與日本的裝置相比，中國屬于更新一代，雖然目前已經實現的溫度比他們要低得多，但是在某些方面更具有優勢。