聚变能-通向“人造太阳”之路

1、聚变能:通向“人造太阳”之路 参与“人造太阳”计划，是中国目前投入最大的国际大科学1-程，也是中国有史以来首次以平等伙伴身份参加的规模最大的国际科技合作项目。 人类迫切需要一个“人造太阳”来提供源源不断的清洁能源。据1998年世界能源委员会公布的统计数据，按照1998年世界能源消耗量计算，已探明的可用储量：石油可用约50年；天然气可用约70年；煤炭可用约200年；天然铀可用约60年；如果把全部资源纳入考虑，大约也只能用200300年，人类社会将面临一次能源枯竭的严重危机。 与此同时，无论化石燃料还是宝贵的化工原料，如果仅用来做燃料，将其消耗殆尽的同时，也必然会对环境造成相当严重的破坏和污染。这

2、不仅是自然资源的不合理的使用，而且对人类社会的可持续发展造成了严重的威胁，为此付出的代价无法估量。因此。全球必须进行并尽快完成战略新能源的开发研究，对中国而言尤其如此，中国将比任何其他国家更快面临严重的能源短缺和环境污染问题，中国的能源问题既是中国的问题也是世界的问题。 新能源：聚变能的研究 新能源有各种各样，聚变能是其中之一。太阳的能量来自轻核聚变反应，太阳每秒将6.57亿吨氢聚变成氦，亏损的质量转化成巨大的太阳能，成为支持太阳系统内一切活动的能量源泉。研究了太阳内部的聚变反应后，人类设想可以通过人工控制氘氚聚变反应产生聚变能。聚变能的优势很多，首先是能量巨大，一升海水中含有30毫克的氘，通

3、过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油的能量；其次能量安全，聚变的反应产物是非放射性的。聚变燃料是按一定速度和数量加入的，所以任何时候在反应室内的聚变燃料都不多，在进行核聚变反应时，即使失控也不会产生严重事故。聚变能的能量消耗对环境的破坏微乎其微，由于聚变反应不产生二氧化碳和二氧化硫等有害气体，也不会像核裂变那样产生大量裂变产物，特别是半衰期长的锕系元素，它的反应产物只是非放射性的惰性气体氦，所产生的放射性物质只是可能泄漏的微量氚和半衰期很短的活化材料。显然，聚变能是人类可持续发展的清洁安全而又资源无限的新能源。 然而，在地球上实现持续的可控轻核聚变反应，条件要求相当苛刻，对目前的科学技

4、术基础具有很大的挑战性。目前，人类实现受控热核聚变主要有两种途径磁约束和惯性约束。由于惯性约束更多地与军事相关，所以保密性较强，而磁约束聚变研究则属于相对公开的领域。认识聚变能，还要从磁约束聚变研究的起源开始谈起。 早在第二次世界大战期间，美国在研制原子弹的时候，就已经开始关注受控热核聚变反应的可能性。第二次世界大战末期，美国、英国和苏联从军事上考虑，一直在互相保密的情况下开展可控核聚变的研究。针对聚变反应的反应物高温等离子体的约束，大家不约而同地想到了使用磁场，即通过强大的磁场形成一个封闭的环绕型磁力线，让等离子体沿磁力线运行。 等离子体具有这样一个性质磁场不可穿过其内部，只可以沿着等离子体

5、的边沿绕行，这样就可以使用磁场将等离子体约束起来，利用运动电荷在磁场中作圆周运动的规律，使核聚变物质与容器隔离。但是在研究和实验过程中人们很快就发现这种约束方式要比预想的困难得多，主要的障碍是等离子体的宏观不稳定性。这个困难难倒了大群的科学家，他们的研究也因此止步不前。 1958年出现了转机。为了共同解决遇到的难题，在日内瓦召开的第二届和平利用原子能国际会议上，各国有关聚变研究的情况完全公开。在该次会议中，除了苏、美、英三国以外，德、法、瑞典、日本等国家也都有这方面的报告提出，在证实各个国家研究能力的同时，聚变研究成为会议的中心议题，得到全世界的关注和讨论。值得一提的是，聚变研究的领头羊苏联还

6、在会上宣布建成在当时规模巨大的磁镜装置奥格拉(orpa)，这是当时最为先进的聚变装置，得到大会的高度评价。会议之后的数年，聚变研究有了飞速发展，大量有关文献在期刊和会议录上相继涌现，聚变研究的重点也转向了高温等离子体物理的一些基础课题。 托卡马克突出重围 经过了1958年的解禁之后，各国都开始了公开的研究与讨论。但是通过各种各样的研究模式和方法上的努力，还是难以达到参数要求，距离建成实验堆仍有非常远的距离，全世界对聚变能的未来充满了悲观情绪。在实验研究上，为了克服等离子体宏观不稳定性问题的干扰，科学家设计并研发了各种各样的实验装置，其中以箍缩装置、磁镜、仿星器和托卡马克(tokamak)为主要

7、研究装置。 托卡马克装置最初是由苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在1954年发明的，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字来源于环形(torordal)、真空室(komera)、磁(magmt)、线圈(kotushka)，中文大意是环形磁笼真空放电器，也有个很贴切但没有推广的中文名“环流器”。这个装置的出现，影响了整个世界的聚变研究方向。 1968年，又一次出现了曙光。这一年在苏联召开的第三届核聚变国际会议上，来自苏联的阿奇莫维奇院士展示了托卡马克装置(t3)的实验结果：t3利用强纵场在克服等离子体的宏观不稳定性上取得了突破性的进展，等离子体的各项参数有很大提高。这个结

8、果令人鼓舞和兴奋，然而西方的科学家并不相信苏联人测定的参数结果。于是1969年由英国卡拉姆实验室主任皮斯派出一个专家小组，带了自己的汤姆逊散射仪去测量，最终测量的结果证明了t3的可靠性。 此后，托卡马克从众多实验装置中脱颖而出，在全世界掀起一股托卡马克热。这种热潮使得在20世纪80年代初，世界上就建造了4个接近聚变堆的大型托卡马克，每个装置的投资都是上亿美金。这4个装置分别是美国酱林斯顿大学等离子体物理研究所(pppl)的tftr、欧洲卡拉姆的jet、日本原子能研究所的jt-60和苏联库尔恰托夫原子能所的t-15超导托卡马克。 中国磁约束聚变研究 一般认为，中国1958年真正开始进行聚变研究，

9、与第二届日内瓦和平利用原子能国际会议是同一年。当时中国的聚变研究主要在二机部系统和科学院中开展。早期在钱三强的带领下，二机部系统建造一系列的小型聚变装置。同时，科学院的一些研究所，如物理所、电工所、力学所以及西安光机所等，包括水利水电部下属的电力科学研究院，都开展了聚变方面的理论或是实验研究。另外，高等院校也扮演了重要的角色。包括北京大学、复旦大学、上海交通大学、华东师范大学、上海师范学院等在内的高校对中国聚变研究的理论、文献和人才培养也做出了巨大贡献。 前夕，中国聚变研究的布局已经发生了很大变化。由于国民经济的困难，以及 国家三线建设的决策和需要，很多单位的研究工作，特别是实验研究纷纷停车或

10、下马。以后，中国的聚变研究尽管遭遇多方困难，但依旧紧随世界脚步，持续发展。受到国际聚变研究的影响，中国也把研究力量放在托卡马克装置上，各个研究机构包括高等院校都开始研究并建成了自己的一系列托卡马克聚变装置。其中中科院物理所、合肥等离子体物理研究所，核工业西南物理研究院成为中国主要的聚变研究阵地。 中科院物理所的ct-6是我国第一台托卡马克装置，ct是中国托卡马克之意(china tokamak的第一个字母组合)，之后又建成了升级版ct-6b。在当时的经济社会条件下，建成这样的两个装置所遇到的困难是难以想象的。 中国科学院合肥聚变站(即现在的合肥等离子体物理研究所)成立之后的1975年，在接受了

11、中科院物理所赠送的真空室之后建成了一台空心变压器的托卡马克，称为ht-6，ht是合肥托卡马克之意(helmtokamak的首字母组合)，后来又建造了两个托卡马克装置分别是ht-6b和ht-6m。随着装置的不断进步，合肥等离子体物理研究所成为了中国聚变研究的重镇。1994年是合肥所发展的关键之年，这一年合肥等离子体物理研究所建成了中国第一台超导托卡马克装置ht-7。 关于ht7装置，还有一段有趣的故事。 1990年，时任国际热核聚变理事会中国理事的李整武先生将苏联理事kadomtsev的一封信转交给了合肥等离子体物理所的霍裕平所长，信中建议将苏联的一个用于工程研究的超导托卡马克装置t-7转让给合

12、肥所。但这个装置原先设计是工程研究用的，磁体结构非常紧凑，并不适宜于实验研究。当时等离子体物理所的研究经费也非常困难。但所里下了破釜沉舟的决心，通过向银行贷款，用800万人民币和一些286微机换回这台苏联人认为不可能做物理实验的装置。拆运回国之后，合肥所研究人员在外国专家的帮助下进行了磁体系统的改造又加进了自己的最新设计，通过全所研究人员的勤奋钻研，刻苦努力，终于在1994年12月28日将该装置成功地改造成世界第二大超导托卡马克ht-7，成为了继俄、法、日之后的第四个拥有超导托卡马克装置的国家，引起了全世界的瞩目。在ht-7成功运行和物理实验取得重大进展的基础上，经过反复论证，更为先进的大型超

13、导托卡马克装置的建造列入了研究计划，当时称为ht-7u，后来改称east(experimental advancedsuperconductingtokamak“先进超导托卡马克实验装置”的缩写)。east系统于2006年初建成并顺利进行了首轮工程调试，并成功地实现了物理运行。east与国外同类装置相比，项目使用资金最少、建设速度最快并在建成后的极短时间内就取得了重大实验进展，因而受到国际聚变界的高度评价。 中国聚变研究的另外一个重要基地，是核工业西南物理研究院。该院第一个托卡马克装置是中国环流器一号装置hl-1(hl是汉语拼音“huanliu”的简写)，随后改进发展为中国环流器新一号装置(h

14、l-1m)。后来，由于单位体制发生了改变，西南物理研究院在聚变研究的道路上遇到了很大的困难，当时很多人认为已经无法再建造新的装置，在此情况下，西南物理研究ngk1988年就与德方接洽，希望德国的asdex装置退役后能转让给该院，以接替hl-1m。然而装置引进的过程并不顺利。最初德国人想把装置转让给巴西人，但最终得益于中国经济的快速发展和当时极其良好的中德关系，在德国总理施罗德访华后通过政治和外交关系敲定将装置送给中国。可以想象如果换作现在的德国总理默克尔，这样的交易结果就是未知数，从这次交易中也可以看出国家政治与科学技术发展之间微妙的关系。1997年，西南物理研究院派出工程人员将asdex装置

15、完好地拆运回国，但由于当时装置建造尚未获立项，所以这些零件都堆在临时仓库里。直到1999年立项获得批准，中国环流器二号a装置(hl-2a)才作为另一项大科学工程正式动工。2002年12月3日，hl-2a在成都白家新基地投入运行。这是中德合作建造的装置，由于应用了新技术，安装了新设备，使该装置在国际聚变研究中占有重要地位。 中国的聚变研究一直是跟随着国际的脚步摸索前进，特别是容易受到美国的影响。进入90年代后期，美国的聚变研究受到了前所未有的冲击和冷落，美国国会大幅削减磁约束聚变研究经费。受此影响，中国的聚变研究也面临重重危机，特别是一些有名望的华人科学家在看到美国的聚变研究计划出现困难后，便建

16、议中国政府跟随美国步伐放弃或减少对聚变研究的支持，由此，缺少了国家大力支持的中国聚变研究面临生死考验，导致当时的聚变科研队伍大幅度萎缩，其中中国科学院物理研究所、北京大学、复旦大学等机构的聚变研究全部中断，到目前为止，只有北京大学逐步恢复中断的研究。 iter计划与“人造太阳” iter(international thermonuclearexperimental reactor)的全称是国际热核聚变实验反应堆。“iteil”在拉丁文中意为“道路”，itek也意味着人类和平利用核聚变能源之路。由于核聚变研究是一项耗资巨大、研究周期相当长的大科学研究项目，人们认识到只有开展广泛的国际合作，才能

17、达到实现核聚变能利用的目标。iter计划便应运而生。 从1987年美、苏、欧、日四方进行iter设计到现在，20多年已经过去，iter计划由最初4方国际合作，发展到现在包括美国、日本、欧盟、中国、俄罗斯、韩国和印度在内的7方合作，是目前世界上继国际空间站之后最大型的国际大科学合作计划。iter项目预计持续30年，前10年用于建设，后20年用于操作实验。这一项目总花费预计约为100亿美元，欧盟承担50的费用，其余6方分别承担10，超出预计总花费10的费用将用于支付建设过程中由于物价等因素造成的预算超支。此外，参与各国完全平等地享有项目的所有科研成果和知识产权。 iter将集成当今国际受控磁约束核

18、聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的许多物理和工程问题。这是人类受控热核聚变研究走向实用过程中的必不可少的一步，因此受到各国政府及科技界的高度重视和支持。 中国在加入iter计划过程中，经历了一场科学大论战，主要焦点是聚变堆的科学可行性和工程技术可行性问题。很多科学家提出异议，主要是因为，他们不希望国家把研究经费投放到在他们看来有限的时期内不可能实现的任务目标中。经过激烈的争辩，最终国家决定要加入iteik国际合作计划，并于2006年11月21日在法国巴黎正式签署合作协议，于2007年正式由全国人大审议通过。这是迄今中国投入最大的国际大科学工程，也是我国有史以来有机会、有能力、以平等伙伴身份参加的规模最大的国际科技合作项目。按预期，该计划将于2016年左右建成聚变堆，2030年左右完成实验运行。如果顺利，21世纪中叶后便可实现商业化能源供给。参与该计划研究工作的包括中国科学院等离子体物理研究所、核工业西南物理研究院等中国研究机