中国新一代“人造太阳”实验装置
所谓的人造太阳，就是ITER（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）装置一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。托卡马克核聚变实验装置，2006年在合肥科学岛建成，是世界上第一个全超导托卡马克核聚变实验装置，中文名为“东方超环”。核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。如果人类掌握了核聚变能源，将拥有可使用上十亿年的清洁能源。因此，受控热核聚变实验装置被人们称之为“人造太阳”，是人类寻找能源出路的希望之一。
太阳是热核聚变反应的典型代表，1938年，美国科学家贝特(H.Bethe)和德国科学家魏茨泽克(C.F.v.Weizsacker)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。太阳的核心温度高达1500万摄氏度，表面有6000度，压力相当于2500亿个大气压。核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍。在这里每时每刻都发生着热核聚变，太阳每秒钟把七亿吨的氢变为氦，在这过程中失去400多万吨的质量，这种聚变反应已经持续了几十亿年，它的辐射能量给地球带来无限生机。
自人类进入工业化以来，世界能源消耗迅速增长。有数据显示，自1973年以来，人类已经开采了5500亿桶石油（约合800亿吨），按照现在的开采速度，地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年，已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可以用300年到400年。核电站发电需要浓缩铀，世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站目每年需要消耗6万多吨浓缩铀，地球上的铀储量仅够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和，而风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。
随着石油价格上涨，能源危机再次被提起，各国也加快了新能源研发，核聚变能就是重点之一。与传统的裂变式核电站相比，核聚变发电具有明显的优势。核聚变所用的重要核燃料是氘，理论上，只需1千克氘和10千克锂(通过锂可得到氘)就可以保证一座百万千瓦聚变核电站运转一天，而传统核电站和火力发电站至少需要100千克铀或1万吨煤。制取1千克浓缩铀的费用是1.2万美元,而制取1千克氘的费用只有300美元。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克；而一座百万千瓦裂变式核电站，需要30-40吨核燃料。
氘的发热量相当于同等煤的2000万倍，是海水中大量存在的元素。据测算，海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，每1公升海水中含有0.03克的氘，通过核聚变反应产生的能量，相当于燃烧300公升的汽油。就是说，“1升海水约等于300升汽油”。地球上的海水总量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，足够人类使用百亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”，地球上的锂储量有2000多亿吨，海水中的氘再加上锂至少够我们地球用上千亿年。氚虽然在自然界比氘少得多，但可从核反应中制取，也可用于热核反应。科学家们正在以海水中的氘为主要原料，进行核聚变反应试验，以期建立可以投入商业运营的热核聚变反应堆，彻底解决人类未来的能源问题。
更为可贵的是核聚变反应是清洁能源，几乎不存在放射性污染，核裂变的原料本身带有放射性，而核聚变反应过程中，在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变，无需担忧失控的危险，而且也不会产生放射性的物质。即使像切尔诺贝利核电站那样发生损坏，核聚变反应堆也会自动立即中止反应，因此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。在这一系列的动力下，核聚变的研究已经持续了半个多世纪。
核聚变反应堆的原理很简单，只不过对于人类当前的技术水准，实现起来具有相当大的难度。
物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中正电的吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同，如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子，铀是天然元素中最重的原子，有92个质子和92个电子。
核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。
如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。
第二步，由于所有原子核都带正电，按照“同性相斥”原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。
质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氢)、氚 (超重氢)。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。
为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。
反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。
核聚变消耗的燃料是世界上十分常见的元素——氘（也就是重氢）。氘在海水中的含量还是比较高的，只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。新的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要高得多，除了在实验室条件下做一次性的实验外，很难让它链式反应下去——那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘-氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅仅是氘-氘反应的100分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。
而氚不同于氘，氚是地球上最稀有的元素，由于氚的半衰期只有12.26年，所以在地球诞生之初的氚早已衰变地无影无踪了。现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚—— 它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元，仅在美国保存有30公斤左右的氚。这么贵的原料，用作核聚变发电显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西——锂。锂元素也是世界上最丰富的资源，有2000多亿吨。一方面海水中就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，中国是世界锂资源最丰富的国家，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。锂的2种同位素——锂-6和锂-7，在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水反应堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。
在聚变反应堆内，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我们只需要给反应体提供两种原料——氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。
看起来很简单是吧，只是还有一个问题，能够承载上亿摄氏度超高温反应体的核反应堆用什么材料来制造呢？要知道，太阳表面的温度也才只有6000度左右。迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度高温的材料，更不要说上亿摄氏度了。以上这些因素就是为什么一槌子买卖的氢弹已经爆炸了50年后，人类还是没能有效地从核聚变中获取能量的重要原因。
为了解决核聚变反应堆的制造问题。早在60年前，科学家们提出了两种约束高温反应体进行核聚变的理论，一种是激光惯性约束。这一方法是把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入高能激光束或粒子束，球囊内的氘-氚反应气体受力向内挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到核反应需要的温度时，球内气体发生核聚变反应，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟持续不断地发生三四次，释放出的热量传导出来就能发电，功率可达到百万千瓦以上。这一理论的奠基人之一是我国著名科学家王淦昌院士。
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另一种就是磁力约束，如核聚变反应的高温条件下，等离子体微粒的运行难以捉摸。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，苏联科学家伊戈尔·塔姆和安德烈·萨哈罗夫（苏联氢弹之父）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。等离子体具有的一个性质是，磁场不可穿过其内部，只可以沿着等离子体的边沿绕行，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。
从50年代开始聚变研究以来，世界各国发展了很多类型的磁约束聚变装置，有箍缩、仿星器、多极场、托卡马克等形式，但参数都很低。直到1968年8月，在苏联召开国际受控核聚变研讨会上，阿齐莫维齐宣布苏联在T-3托卡马克装置上实现了1000万度的等离子体放电，并实现能量输出，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak等。除“仿星器”外，其他装置逐步退出科研的平台。利用托卡马克装置进行的磁约束核聚变研究和利用高能激光进行的惯性约束核聚变研究，成为世界可控核聚变研究的两种主要途径。
半个世纪以来，在30多个国家建造的大大小小上百个实验装置上，每一次放电时间的延长，人们都为之兴奋；每一次温度的提高，人们都为之欢呼；因为这看似小小的进步，都意味着我们离聚变能的应用更近了一步。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，从堆芯上亿度的高温到线圈中零下269度的低温，就可见一斑。由于难度过高，世界各国不得不携手合作，因此可控核聚变已经成为世界最开放的高技术合作领域。
如果人类掌握了核聚变能源，将拥有可使用上10亿年的清洁能源。“人造太阳”的杰出成就，让人类朝获得受控核聚变能的目标又迈进一步。
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