中国制造EAST全超导托卡马克实验装置探索核聚变

由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST 全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，将于2006年3、4月在合肥建成。这个装置也被通称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。

早在1933年，既发现核裂变现象五年前，人类就发现了核聚变。小原子量的轻元素氢的原子核的聚合，会产生巨大的能量。在氢原子核的聚合中，又以它的同位素氘和氚的原子核的聚合最容易实现。它被称为轻核聚变，简称核聚变。

1933年，人们用加速器使原子核获得所需的动能，在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获得增益的能量。1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，对能量的约束要有足够长的时间。

1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。在这种情况下，苏、美等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。另外，磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。于是，1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。

HT-7超导托卡马克在2004年4月11日至6月14日进行的高温等离子体物理实验研究中取得了突破性进展，放电脉冲长度突破了百秒关，达到了240秒。取得了一大批丰硕的创新成果。

近十年来，各国在托卡马克装置上的核聚变研究不断取得令人鼓舞的进展。1991年11月9日，欧共体的 J ET托卡马克装置成功地实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，在氘氚6比1的混合燃料（86％氘，14％氚）中，等离子体温度达到3亿摄氏度，核聚变反应持续了2秒钟，产生了1×1018个聚变中子，获得的聚变输出功率为0.17万千瓦，能量增益因子 Q值达0.11－0.12。虽然高峰聚变功率输出时间仅有2秒，但这是人类历史上第一次用可控方式获得的聚变能，意义十分重大。这一突破性的进展极大地促进了国际托卡马克实验堆 I TER计划的开展。
　　1993年12月9日和10日，美国在 T FTR装置上使用氘、氚各50％的混合燃料，使温度达到3亿至4亿摄氏度，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦，大约为 J ET输出功率的2倍和4倍，能量增益因子 Q值达0.28。与 J ET相比， Q值又得到很大提高。

　　1997年9月22日，联合欧洲环 J ET又创造输出功率为1.29万千瓦的世界纪录，能量增益因子 Q值达0.60,持续时间2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。
　　1997年12月，日本方面宣布，在JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应， Q值可以达到1.00。后来， Q值又超过了1.25。在JT－60U上，还达到了更高的等效能量增益因子，大于1.3,它也是从氘－氘实验得出的结果外推后算出的。

　　2002年3月，日本在托卡马克型热核聚变基础实验装置“ T RIAM－IM”上使用高频电流产生出了热核聚变所需要的高温等离子体电流，国际热核聚变实验堆原先就计划把取消变压器作为研究课题之一，而这一研究成果为简化热核聚变反应堆的设计提供了可能，并可降低建设成本。

　　另外，超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实，这是受控核聚变研究的一个重大突破。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。2002年初，中国 HT－7超导托卡马克实现了放电脉冲长度大于100倍能量约束时间、电子温度2000万摄氏度的高约束稳态运行，中心密度大于每立方米1.2×1019。目前，全世界仅有俄、日、法、中四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克 T ore－Supra体积是 HT－7的17.5倍，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秒条件下，等离子体温度为2000万摄氏度，中心密度每立方米1.5×1019,放电时间是热能约束时间的数百倍。
　　这些实验表明，磁约束核聚变研究已进入真正的氘－氚燃烧试验阶段。而且，国际核聚变研究将由验证核聚变科学可行性的基础研究转向以证实工程可行性为主的聚变工程技术研究。
　　各国在红红火火地开展受控核聚变的同时， I TER却遇到挫折。美国于1998年7月宣布退出国际热核实验反应堆计划。几年来，美国对核聚变研究的财政拨款一直维持在2亿多美元，这是维持美国核聚变研究所需资金的下限。国际热核实验反应堆计划的预算投资巨大，要求美国追加经费，这一议案遭到美国纳税人的拒绝，未获国会通过。1996年1月，美国聚变能顾问委员会（ F EAC）按照美国国会的指导方针和预算的现实情况制定了“重建的聚变能科学计划”，即把核聚变研究从围绕国际热核实验反应堆的技术研究转到基础科学研究上来。美国虽然退出了 I TER计划，但是，又不甘心被甩在外面，仍设法派观察员参加反应堆计划会议。

　　美国退出以后，俄罗斯虽十分支持 I TER，但没有经济实力，显得力不从心，只有欧共体和日本全力支持。实际上，日本和欧共体国家现已成为支持国际磁约束聚变研究规划的主体力量。原因是欧洲，尤其是日本，都缺乏能源资源，迫切需要开发新能源。

　　热核聚变所用的重要核燃料是氘。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克。据测，每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油，就是说，“1升海水约等于300升汽油”。地球上海水中有45万亿吨氘，足够人类使用百亿年。

　　更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染，而且在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变，所以也无需担忧失控的危险。万一发生事故，反应堆会自动冷却停止反应，不会发生爆炸。与目前利用核裂变发电相比，受控核聚变产生的能量名符其实是一种无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。

　　其实，人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸，但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难，而驯服核能，使核聚变顺从地在人为控制下为人类服务却是件异常艰难的事。电厂不是战场，它要贡献的绝非一次惊人的爆炸力，而是缓缓释放的电能。