合肥“科学岛”上的超导托卡马克核聚变装置。
罗家融在EAST实验装置前
1升海水生产300升汽油不是梦
一个旨在最终解决人类能源问题的宏大计划正在推进当中，中国在其间已经担当重要角色。
这一计划的正式名称是国际热核聚变实验堆项目（简称“ITER”），俗称“人造太阳”计划。基于核聚变反应堆的聚变电站是解决人类未来能源问题的一个希望。
科学家设想，核聚变产生的能源能够走入寻常百姓家，人类一开灯，就是核聚变产生的电力。
中国在这一研究领域已经进入了国际先进水平。1月13日，胡锦涛总书记来到位于安徽合肥的中国科学院等离子体物理研究所，详细了解这里的超导托卡马克核聚变实验装置的有关科技问题。
“人造太阳”计划离真正的商业运行有多远？在能源危机日趋严重的今天，核聚变研究对于终极解决人类能源问题有何意义？近日，本报记者来到合肥“科学岛”进行采访。
文/图本报特派记者曾向荣
近日，ITER项目即将在法国动工的消息，让“人造太阳”计划进入公众视野。位于安徽省合肥市西部的“科学岛”，吸引了众多关注者的目光。
人造太阳
核聚变装置工作原理和太阳工作原理相似，能量能转化为电能
“科学岛”是中国核聚变研究的重要基地，世界上第一台全超导托卡马克核聚变（EAST）实验装置就是在这个岛上研制成功的。
一年多以前，中国科学院等离子体物理研究所历时8年研究开发的EAST实验装置首次成功试验。通过这一装置，科学家能够对受控核聚变开展探索性的实验研究，从而为未来稳定、安全、高效的商业核聚变堆提供物理和工程技术基础。
EAST超导托卡马克运行总负责人、东华大学教授罗家融解释说：“从能量概念的角度，这个装置被形象地称为人造太阳。太阳是一个巨大的发光体，同时释放出大量能量。核聚变装置就是要模仿太阳的环境，使之产生核聚变反应，产生中子，然后释放出能量。”
核聚变装置的工作原理和太阳有着异曲同工之妙。太阳巨大的能量来自核聚变反应。在太阳的中心，温度高达2000万摄氏度，在高温高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并释放出大量能量。
科学家发现，在人类比较了解的聚变反应中，氢的两种同位素氘和氚的聚变效率最高，氘和氚结合变成氦，同时能释放出巨大的能量。这些能量在转化后，可以成为电能等各种能量。这就是人造太阳的原理。
但“人造太阳”并非高高悬挂在空中，而且EAST实验装置与真正的人造太阳相差甚远。EAST实验装置的核心部件是一个高12米、重400多吨的落地圆柱体大容器，它被安置在一栋封闭的建筑物内。
昂贵设备
建成花了3.2亿元，外围装备花了1.95亿元，每年需要3600万元运行费
1月17日，记者走进EAST实验大厅，工作人员正在忙碌着。几天前，胡锦涛总书记来到这里，详细了解超导托卡马克核聚变实验装置的科技问题。
记者在现场看到，“人造太阳”实验装置的核心部件是一个巨大的容器。在这个大容器的附近，放置着一些辅助设备。“几年后如果你再来，你会看到在核心部件的旁边，铺满了各种各样的外围设备。”罗家融说。
罗家融告诉记者，这个实验大厅于2001年开始建造，包括设备所在的大楼在内，共耗费了5年的建造时间。大楼的顶层和天花板都浇注了水泥，在顶层和天花板的水泥之间，灌注了1米深的水。“水是用来防范中子辐射的，它吸收中子辐射特别快。”罗家融解释说。而在大厅的下方，还有4米深的地下室。
解决能源危机
“人造太阳”一旦商用化，人类将不必再担心能源问题，但它不是永动机
“这是一个耗资巨大的项目，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。此外，每年需要大约3600万元的运行费。它一运行，就要持续两个月。今年5月份开始，它要开始做实验。”罗家融告诉记者。
“人造太阳”项目一旦实现商用化，人类将不必再担心能源问题。在投入商业运行之后，只要往设备不断输入氘和氚，在里面发生聚变反应，它就能源源不断地释放出能量，而氘可以从空气中提取，氚可以从海水中提取，廉价而且数量丰富，可以给人类使用1亿年。因此，设备也就永远转下去。
罗家融告诉记者：“从这个意义上说，核聚变是解决人类能源问题最关键的最终的一步。关于这一点，没有哪个能源学家会反对。”
“但人造太阳是永动机的概念并不成立，因为需要注入氘和氚，氘和氚就是能量，而永动机是不需要能量给予的。”罗家融强调。
罗家融和他的同事们研制的EAST试验装置具有国际先进水平，是世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置，它的影响力已经辐射到了法国马赛市郊的卡达拉舍。
多国参与
“人造太阳”的实验堆将耗资100亿欧元，中国承担占总投资9％的费用
卡达拉舍是ITER实验堆的建造地。2008年开始，ITER计划进入正式实施阶段，实验堆将在这里动工建造。ITER计划预计持续35年，前10年用于建设反应堆；后20年用于操作实验；最后5年是将实验的反应堆活化、拆除。在今后35年间，这个“人造太阳”的实验堆将耗资100亿欧元以上。中国最终承担占总投资9％的费用，约合100亿元人民币。
实际上，ITER计划也是迄今为止中国参与的最昂贵也最具挑战性的大科学工程国际合作项目，目前由欧盟、中国、日本、美国、俄罗斯、韩国、印度七方共同参与，利用磁约束等离子体进行受控聚变研究。
即将建造的ITER装置和EAST极为相似，好比是一个放大版。“和现在的EAST相比， ITER装置要大5倍。而预研堆比ITER装置还要大5倍。”罗家融告诉记者。在今后ITER建造的10年中，中国将支持在EAST装置上进行前期研究开发，为ITER装置的运行和开发做好相关准备。中国科研人员将根据“采购包”的要求，制造各类部件，运往卡达拉舍。
漫长研究
从实验堆到预研堆，需要二三十年，从预研堆到商业运行堆，需要四五十年
无论是EAST，还是即将动工的ITER装置，它们都只是实验堆，离真正的商业运行还很遥远。在投入商业运行之前，还需要经过实验堆、预研堆、商业堆三个阶段。每个阶段的研究，都将经过漫长的研究攻关。
在罗家融看来，从实验堆走向预研堆，面临两个重大课题：一是如何让高温持续地产生，二是第一壁材料的问题。“把温度加热，1秒钟没有问题，常规托卡马克可以到5秒、10秒，超导托卡马克可以到100秒、1000秒，问题就是，1000秒以后能否持续高温，需要连续的稳态的高温。还有就是壁的材料的承受能力， 10秒钟没有问题，100秒、1000秒有没有问题，最后到连续运行，另外材料如何更换，损耗有多快。这将是两个非常重大的难题。”他说。
核聚变装置的真空室相当于一个装入高温等离子体的炉子，最受考验的是直接面向高温等离子体的内壁，即第一壁材料。氘氚聚变反应产生大量的高能中子、电磁辐射，它们和等离子体离子、快原子和其他从等离子体逃逸出的粒子（氘、氚和杂质）等等，强烈地作用于第一壁。到目前为止，人类还没有发明出工作环境这么复杂的材料。
罗家融估计，从实验堆到预研堆，大约需要二三十年的时间；从预研堆到商业运行堆，需要四五十年的时间。“我最乐观地估计，到实现真正的商业运行，至少要经过一个世纪的努力。”罗家融说。由于能源危机的加剧，有可能会把这一进程提前。
“人造太阳”实验的国际合作
2006年达成合作协议可能影响未来世界的能源格局
毫无疑问，这是一场时间和金钱都消耗巨大的持久战。不过，在能源危机日益严重的背景下，“人造太阳”计划的意义显而易见。国际油价的高涨，石油、煤炭、天然气等不可再生能源获得的有限性以及环境污染的加剧，敦促人类寻找清洁、高效并具备大规模推广潜能的能源。
原料取之不尽
在和平利用核能方面，人类的探索漫长而曲折。
核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。在裂变和聚变的过程中，都会放出巨大的能量。
如今，世界各地的核电厂都采用核裂变方式，但裂变需要的铀、钚等重金属元素在地球上含量稀少，而且铀、钚的放射性也使之具有致命性的危险。1986年切尔诺贝利核电站泄漏事故，导致直接或间接死亡人数超过4000人。
此外，常规裂变反应堆会产生核废料，也限制了裂变能的发展。
相比而言，核聚变则优点多多。以最容易发生的氘氚聚变反应为例，氢的同位素氘和氚可从海水中提取，核聚变反应不产生温室气体及核废料。原料几乎取之不尽，几乎不会危害环境。
中科院等离子体物理研究所副所长武松涛测算，从1升海水中提取的氘和氚，如果实现完全的聚变反应，释放出的能量相当于燃烧300公升汽油所获能量。
但裂变很容易发生的，聚变则不然。在地球上，除了科学家们的实验室里进行过核聚变以外，人们唯一知道的大规模聚变就是氢弹爆炸，但那会给人类带来灾难，人类需要的是受控核聚变。
罗家融告诉记者：“核聚变的难度比核裂变要大得多。核聚变在地球上很少发生，但在太阳上，核聚变每时每刻都在发生。它的发生需要高温状态。”
研究困难重重
科学家希望，能够创造一个类似于太阳环境的装置，但其困难程度远远超出了他们最初的预计。要知道，如果让氘和氚发生聚变反应，氘和氚所处的环境温度必须达到 1亿摄氏度以上。在这样的高温下，拿什么样的容器把高温下的氘氚气体约束在一起？这样高的温度，任何材料都注定无法承受。一旦某个环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。
1969年，苏联科学家提出了“托卡马克”的概念。那就是利用环形封闭磁场组成的“磁笼”，把那些灼热的处于等离子状态的燃料约束起来。最核心的容器问题已经得到解决，这也是“人造太阳”计划的主体。
“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。而且，在持续高温状态下，托卡马克装置需要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。
共享知识产权
国际科学界逐渐意识到，要推动可控核聚变研究，仅靠一国的力量是远远不够的。经过努力， 2006年11月，来自欧盟、美国、中国、日本、印度、俄罗斯和韩国的七方代表在法国巴黎举行的国际热核聚变实验反应堆计划（简称“ITER”）的会议上正式签署了联合实验协定，“人造太阳”计划正式启动。“人造太阳”计划是继国际空间站项目之后最大的国际科学合作项目。
中国参与ITER计划也引发了争议，一些知名科学家也提出了反对意见。在罗家融看来，“中国参与ITER计划的意义在于，利用10％的投入，就可以获得 100％的知识产权。”因为只要是ITER的成员，所有的技术都是公开的，参与的各方能完全平等地分享所有的相关资料和知识产权。
“有了这个知识产权，将来我国的核聚变技术就有可能从实验堆跨到预研堆。如果不参加，即使研究出来了，我们没有知识产权，不能为我所用。”罗家融告诉记者。而这一切，在很大程度上影响到未来世界的能源格局。
中国成果卓著
从上世纪60年代至今，中国的磁约束核聚变研究有着40多年的历史。位于成都的核工业西南物理研究院先后研制成功了中国环流器一号和中国环流器新一号托卡马克装置，推动了世界对核聚变“磁笼”的探索和研究。
1978 年，中科院决定在合肥成立等离子体物理研究所，从事核聚变研究。“1992年前后，科学院花了两车皮羽绒服从俄罗斯引进了一套托卡马克实验装置HT- 7。”罗家融告诉记者。经等离子体物理研究所的不断改进，它已成为一个庞大的实验系统。在他看来，此事在中国核聚变研究史上有着重要意义。
在十几次实验中，研究人员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。2006年，等离子体物理研究所自主研制和设计了全超导托卡马克装置EAST。这台全超导托卡马克装置，受到了国际同行的瞩目。
等离子体物理研究所的托卡马克装置引起了其他一些国家的注意。罗家融告诉记者，巴基斯坦有意要购买该所一套已经停用的托卡马克装置，而印度则打算购买HT-7。
研究人员紧缺
不过，虽然中国在核聚变领域具有国际先进水平，但整体实力与美国、欧盟相比，仍然有一些差距。罗家融认为，中国核聚变研究的人才十分紧缺，人才问题是相当严峻的问题。“我初步估算了一下，我国从事聚变等离子体研究的人才，包括高级、中级、低级人才，最多1500人。真正做研究的，少于500人。真正拔尖的，能够到国际会议上开会跟国际同行交流的有100个人。”罗家融忧心忡忡。他担心，人才的紧缺，对于我国今后参与ITER计划会带来严重问题。
而更长远的问题，则是在中国参与到ITER计划之后。“派去法国参与ITER计划的人，可以学到东西，但他们回来之后，我们国内怎么做？”在罗家融看来，核聚变研究理论最终能否实现产业化，不是几个研究所、高校就能够解决的问题，而在于工业界乃至整个社会的努力，这已经不是学术内容，而是工程内容。“人才问题只是先决条件，在解决这个先决条件之后，还要取决于社会的参与程度。”罗家融说。
显然，参与ITER计划这个最昂贵的科学工程，并非中国核聚变事业的全部。它只是重要一步，但远非最后一步。
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