“人造太阳”的原理

    “人造太阳”，就是模仿太阳上时刻都在发生的核聚变。核聚变就是两个原子核相聚、碰撞，结合成一个新的原子核的过程。氢的两个同位素——氘和氚的原子核聚合在一起，生成一个氦原子核，同时释放出一个中子，伴随着大量伽马射线和中微子等物质，这意味着质量的亏损。根据爱因斯坦那个著名的质能方程式E=mc2，质量的亏损意味着能量的释放——两个氢同位素的聚变大约能够释放17.6兆电子伏特的能量。

    从上世纪50年代中后期到70年代末，各国对核聚变多途径的研究完成了“原理性探索”，到70年代末，苏联专家制造的托卡马克装置成为磁约束聚变的主流，国际核聚变研究开始集中到托卡马克装置的研发和实验。美国、欧洲、日本都相继建立了自己的装置进行实验，我国也由中科院物理所研制出首台装置CT-6。然而，托卡马克建堆需要三个要素:“高温度、高密度和足够的能量约束时间。”直到上世纪90年代，这些条件才逐渐接近或达到这三个要素，核聚变发电的可行性才得到证实

    1938年，德国科学家贝特、魏茨泽克独立地推测太阳能源可能来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应，这甚至早于核裂变模型的提出。然而，与能够在室温下进行的裂变不同，聚变发生需要巨大能量。这是因为当两个带正电的氢原子核靠近的时候，根据“同性相斥”的原理，相互间的斥力将阻碍聚变的发生。

    要克服这种阻碍，只有两种途径:强大的引力，或上亿度的高温。太阳的质量是1989亿亿亿吨，约为地球质量的33万倍。在它的强大引力场的作用下，太阳的中心温度达到1.5亿摄氏度，即使表面温度只有6000摄氏度左右，也能够支持核聚变的持续发生。然而，地球上并不具有这样强大的引力场。因此，要想在地球上实现核聚变，只能依靠上亿度的高温。

    不过，这又带来了新麻烦:如此高温下，核聚变燃料就成为等离子体。所谓等离子体，是在固体、液体和气体上的物质形态。在等离子体状态下，物质微粒的运行更难以捉摸。而实现可控制的核聚变，就必须约束这些“乱跑”的等离子体。那么，怎样在高温下约束等离子体的运行？

    20世纪40年代末，苏联科学家提出了“磁约束”概念，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。磁体通电后会产生巨大磁场，将等离子体揽在怀中做高速螺旋运动，就好像链球运动员一样，虽然球在围着身体高速旋转，控制球的绳子却一直抓在手里。根据这一原理，苏联科学家于1954年制造了第一个“环形磁约束容器”装置——托卡马克(Tokamak)。

    新的问题又出现了:要约束这些能量巨大的等离子体，就必须要强大的磁场;而强大的磁场需要强大的电流。根据电学方程，电流遇到电阻会产生热量。事实上，以往的核聚变实验装置，大多是因为这一过程产生大量热量而只能脉冲运行，并且耗电巨大。怎样避免这一缺陷？

    1912年，荷兰物理学家开默林-昂内斯在偶然间发现，他的水银样品在低温4.25K左右(零下269摄氏度左右)时电阻消失，接着，他又发现铅、锡等金属也有这样的现象。他将这种现象称为超导电性。这一发现，开辟了一个崭新的物理领域。在解决人工可控核聚变装置的散热问题时，科学家们想到了超导。

    在超导的应用技术中，中国科学家走在了各国同行的前列。在ITER项目中，超导技术是中国的强项，也是主要贡献之一。在超导技术应用下的磁约束装置，能使“人造太阳”给我们带来持续的温暖。（陈超 陈晓晨/三联生活周刊）