发布时间：2024-07-21 20:10:08 人气：
人造太阳——关乎人类未来的等离子体
自然界储备的化石燃料正日益减少，迫使人们努力的发展可持续利用的能源。等离子体热核聚变过程是一种释放巨大能量的核反应过程，在这个过程中，轻元素之间相互聚合产生新的原子核，同时释放出巨大能量，正如恒星的燃烧就是典型的聚变反应。在五十余年的 探索 研究后，目前聚变反应堆正处于实现技术突破的前夜。
全球能源危机
英国石油公司每年发布的全球年度能源统计报告，在提供详实数据的同时，也使人们深感忧虑。根据目前的开采速度，已知的石油和天然气储量将在50年间内消耗殆尽。煤炭可以维持200年，常规裂变材料有望维持五十年。如果技术实现成熟，可将非裂变材料转化为裂变材料的快增值反应堆从而大幅度延长上述期限。太阳能、风能、生物质能等非传统替代性能源，既分布分散，又成本高昂。
随着能源储量的耗竭，可以想象，国际间争夺剩余能源控制权的战争此起彼伏。许多人认为，伊拉克战争即是此类冲突的一次预演。大型能源储藏地区成为交战各方争夺的焦点。随着石油和天然气的日渐短缺，其价格将扶摇直上，贫穷国家将无法负担。
可以想象，印度、中国等新兴工业化的大国将对此做出强烈反应。印度目前的年人均用电量为400KW.h。为了将印度的人类发展指数（HDI）提高到富裕水平，年人均用电量就需要曾至4000KW.h，由此需要巨额投资建设热电厂。尽管印度近海地区拥有巨大的天然气水化物储量，但是开采此类矿物的技术尚未成熟。印度必须仍然依赖其煤炭资源为热电厂提供燃料，可以想象，未来二氧化碳排放对环境的破坏将日趋严重。
未来五十年内，全球人口将增至100亿人，与此同时，人均耗电量将提高至2KW。由此可以预计，未来全球能源需求量将高达每年30TW。其他国家也将面临与印度和中国一样的困境。
来自热核聚变的能源
然而，人们有足够乐观的理由相信，上面描述的悲惨情景不会发生。一个世纪以来人们一直孜孜以求的热核聚变发电，可能在2050前就将成为现实。
对恒星之火的探求可以追溯到1952年首枚氢弹爆炸时的秘密文件。当时普林斯顿大学里曼教授在听到阿根廷制定了聚变反应堆研发计划用于民用发电的传言后，构思了他称之为“仿星器”的装置。该装置采用扭曲磁力线对等离子体形成约束。仿星器中的等离子体穿过磁力线，并在约束壁上消散其内热。当时等离子体的温度仅为数百万度，远低于聚变所需温度。
前苏联科学家伊戈尔塔姆和安德烈萨哈罗夫发明了托卡马克聚变装置之后，前苏联就一直对其进行研究。托卡马克装置为一个轮胎行真空容器，内部充填低压氘和氚气体混合物。真空容器外绕有电磁线圈，沿短轴形成环形磁场。环形等离子体电流通过欧姆耗散作用加热等离子体，电流同时还产生沿短轴水平方向的极向磁场。围绕短轴有无数圈组合磁力线环绕，从而产生约束磁面，等离子体粒子即被约束附着在磁力线通道上。
前苏联托卡马克项目主任列夫阿西莫维奇于1968年宣布，托卡马克装置可以在1000万度的温度下生成等离子体，这一成就颇令美国和英国科学家感到懊恼。英国科学家随后到莫斯科拜访并证实，上述工况系采用热电子散射激光技术进行测量。美国“仿星器”聚变装置随后被改造为托卡马克装置，并证实托卡马克装置能够产生类聚变等离子体。
后来爆发的阿拉伯石油禁运给聚变研究注入了一针强心针，各国建设了一系列聚变装置，如美国的托卡马克聚变实验堆和欧洲的欧洲联合环流器。日本也建设了JT-60装置，加入了聚变竞赛。TFTR能够产生10.6MW的聚变功率，JET产生将近16MW的聚变功率。上述成果证明，核聚变科学原理是正确的，同时增强了人们建设更大功率聚变装置以实现更长等离子体燃烧时间的信心。
安德烈·德米特里耶维奇·萨哈罗夫的简介
安德烈·萨哈罗夫（左）和伊戈尔·库尔恰托夫，摄于1958年第二次世界大战结束后，萨哈罗夫开始对宇宙射线的研究。1948年，他参与了伊戈尔·库尔恰托夫领导的苏联原子弹计划，苏联在1949年8月29日对研制的第一种原子装置进行了测试。1950年移居保密行政区萨罗夫（Саров）后，萨哈罗夫在研制氢弹的过程中扮演了重要的角色，苏联在1953年8月12日对研制的第一种核聚变装置进行了测试。同年，萨哈罗夫得到了科学博士学位，被选为苏联科学学会的会员，并获得了他的第一个社会主义劳动英雄荣誉。随后萨哈罗夫继续留在萨罗夫主导研发苏联首枚百万吨级氢弹，并在1955年进行了测试。有史以来破坏力最大的曾引爆的核武器——沙皇炸弹也是基于萨哈罗夫的设计制造的。萨哈罗夫曾提出兴建一个受控核聚变反应堆——托卡马克，直至现在仍是大部分同类研究的基础，他和伊戈尔·塔姆曾共同提出以环面状的磁场限制高热的离子化等离子体，以控制托卡马克的核聚变。
萨哈罗夫亦曾提出感应重力，作为量子引力的替代理论。
“人造太阳”如能永耀，人类将彻底解决能源问题
太阳的聚变反应，靠重力约束，但仍然需要巨大的空间，才能容纳这样一个高温物体。 （东方IC/图）
2021年5月28日，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，该成绩打破了2020年年底韩国创造的1亿摄氏度20秒的纪录，将时间延长了5倍。科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。这是人类掌控核聚变的又一次成功突破。
核聚变，指轻原子核，例如氢的同位素氘和氚，聚合为较重原子核，例如氦。聚变过程，会损失一定质量，根据爱因斯坦质能方程，这些质量会转变为巨大的能量。热核聚变是宇宙中的常见现象，太阳就是一个巨大的热核聚变反应炉。
人类对核聚变认识，差不多有100年了。1932年，马克·奥利芬特完成了氢同位素的实验室聚变。20年后，1952年，氢弹试验成功。氢弹是人类 历史 上第一次利用核聚变。不过，这种方式是剧烈的、不可控。其实，单单可控，人类也能做到，但这样的聚变反应，输入能量大于输出能量，得不偿失，而且时间也极短，所以，不能用来发电。要想聚变被用来发电，不但要可控，还要输出能量大于输入，并且持续、平稳。
太阳的聚变反应，靠重力约束，但仍然需要巨大的空间，才能容纳这样一个高温物体。太阳表面的日珥，高于日面几十万千米，而地球的直径才1.2万多千米。即便如此，没有磁场、大气层的保护，地球生物仍然承受不了太阳核聚变所发射的射线。显然，地球上没有那么大空间，要想实现大规模的聚变，还得想其他办法。
核聚变发生时，是等离子状态，温度达到几千万度甚至几亿度。没有任何容器可以承受这样的高温。那么，一个思路就是用一种无形的力去约束等离子体。人类想到的办法是磁场。
从1940年代末起，各国对聚变发电可行性展开了大量研究，投入大量的人力与经费，开发了多种磁笼。到了1970年代，苏联科学家伊戈尔·塔姆、安德烈·萨哈罗夫和列夫·阿齐莫维齐等人在1950年代发明的“托克马克”（Tokamak）逐渐显示出了优势，并在1980年代成为聚变能研究的主流。托克马克的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，并加以约束，达到受控核聚变的目的。
此次合肥的EAST于2000年开建，2006年建成，是由中国自行设计研制的，又被称为东方超环。EAST的一系列里程碑成果表明，中国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，开始引领国际前沿。
不过，核聚变所要求的技术、资金、人力是如此之大，往往是一国所难以独力承受的。
1970年代后期到80年代中期，美国、日本、俄罗斯、欧洲陆续建成了五个大型的托卡马克装置。1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议苏联、欧盟（通过欧洲原子能共同体）、美国和日本平等地参与建设ITER。2006年5月24日，欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，也是国际 科技 合作史上前所未有的。它的建造周期很长，计划耗资五十亿美元（1998年值）。
需要指出的是，ITER的目标是实现氘氚放电自持300-500秒，预期功率到500MW。但这仍然是一个实验，离商业化还非常遥远。
可控聚变被认为能为人类带来无限的清洁能源，远景规划非常诱惑人。然而，遗憾的是，过去几十年，在投入了无数资金之后，科学家取得的成就非常有限，实用性的商业价值，还遥不可及。研究聚变的物理学家中流传着一个很久的笑话：新闻界又开始报道核聚变技术，要在30年后进入实用阶段、核聚变工厂即将开工的消息了。
媒体难免夸张，是因为前景太过美好。
人类的工业 历史 ，无非是挖矿、种植，得到原材料，然后引入能量制造产品。挖矿本身需要能量，而种植无非是把太阳能变为碳的化合物。所以，人类的生活本质上是由利用能量的程度决定的。而核聚变，可以提供廉价、清洁的能源，一旦实现，势必从根本上改变我们的生活。
比如，一些高耗电的行业就没有了电力的限制，势必会发生变革，例如钢铁、化工等产业。电力成本降低，整个产品成本也随之降低。而煤炭、原油行业，逐渐被替代，地球环境也会更好。再比如现在的电动 汽车 被一些人溢美为“新能源车”，但有的能源的来源一点都不新，电力仍以化石燃料为主。只有当可控核聚变真正占据能源供应的主流时，以此能源的新能源车才实至名归。
前景如此美好，人类翘首以盼，但前路遥远，道阻且艰，还有待科学家的努力， 探索 那无尽的前沿。
（作者系上海金融与法律研究院研究员）
（本文仅为作者个人观点，不代表本报立场）
刘远举
湖北仙童科技有限公司 高端电力电源全面方案供应商 江生 13997866467
