人造太阳”曙光初露

　　当今世界正面临着一系列的能源问题，寻找新能源成为人类的迫切需求。经过半个多世纪的探索，科学家把创造新能源的目光锁定热核聚变。
    8月30日，在浙江大学玉泉校区，第四届国际非线性等离子体科学研讨会暨等离子体湍流与输运国际讲习班在这里举行，来自美国、日本、韩国、意大利和中国的专家，为我国70名年轻一代核聚变人员讲学。这是我国在加入国际热核反应堆计划后，为加速推进核聚变研究进行的专门人才培训，也让我们有机会了解这一计划的最新进展。
    中国参与国际核聚变实验
    核聚变是人类迄今为止发现的一种最无限、清洁、安全的新能源。但人类对核聚变的利用举步维艰。目前世界上有40多个国家在进行核聚变研究，建造了几百个实验装置，从事研究的科技人员达1.2万人，攻克了许多难题。可是，距离应用目标仍十分遥远。人们发现，这样分散的研究，有许多是在同一层面上的，消耗大，进展慢，面对步步紧逼的能源问题，时间上也不允许。在这种情况下，各国间合作的愿望日趋强烈。
    建造国际热核反应堆计划（ITER）应运而生。中国ITER专家委员会委员、中国科学院等离子体物理研究所所长李建刚教授今天介绍说，这一设想自1985年提出以来，吸引了世界各国的目光，欧盟、美国、日本、俄罗斯率先加盟。中国也希望加入，但因当时财力所困，始终被排除在外。直到今年10月，随着中国经济实力和科技水平的提高，加上美国退出，ITER要加快实施，需要吸收有实力的新成员，中国抓住机遇正式提出申请。今年，中国被正式接纳为成员国，两周后，美国也重新加入合作联盟。
    今年6月28日，在莫斯科召开的中国、欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯六方会议上，最终决定由六方共同出资，在法国南部卡达拉舍建造ITER，以期快速推进核聚变研究。该计划总投资100亿欧元（相当于1000亿元人民币），其中欧盟预算30亿欧元，法国承担20亿，中国等其他5个成员国各承担10亿。项目从 开始建造，2016年建成，并投入运行，预计运行20年，输出功率为50万千瓦。
    李建刚认为，这个项目是在各国50年的研究基础上展开的，光方案设计就花了成员国十几年时间，仅欧盟前期投入就达16亿美元。现在中国只要花十分之一的投入，就可以享有整个项目的全部知识产权，目前已得到ITER的全部设计图纸，还争取到20%至40%高技术含量部件的研究设计建造。项目所需的数万名科技工作者（包括科学家和工程师）中的十分之一由中国派遣，全部设备、材料的十分之一在中国采购。中国科学家的全程参与，将为中国在未来建造核聚变示范堆及商业堆培养人才，积累宝贵经验。
    中国要走在世界前列
    据李建刚介绍，我国从上个世纪的60年代开始研究可控核聚变，近年来不断取得进展。1995年中科院等离子体物理研究所建成超导装置HT-7，经不断改进，HT-7已成为一个庞大的实验系统。今年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。到今天，它的持续放电时间已突破4分钟。
    在HT-7的基础上，中科院等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U，中国因此成为世界上第四个拥有全超导装置的国家。
    这个后来被称为EAST的热核实验反应装置，耗费2亿元人民币，今年年底就能建成，它将有望实现1亿摄氏度高温并能持续稳定放电1000秒，在技术上达到世界第一，并将在未来10年内保持世界领先，是全球目前唯一能支持ITER计划预研的常脉冲装置。据了解，现在国际上众多核聚变实验达到的最好成绩是，装置内4亿摄氏度的高温并持续放电2秒和装置内2000多万度的高温持续放电360秒，这两个成绩要不持续放电的时间太短，要不温度太低，都不是很理想。
    HT-7一天的运行费用就要3万元，为了节省费用，也为了加快研究，中科院等离子体物理研究所EAST科研人员一周7天、一天24小时连续在做实验，工程人员三班倒，有的物理学家更是整天泡在实验上。“如果不这样干，我们这几年在核聚变研究上就不可能发展得这么快。我们一年做的工作比国外3年做的工作还要多。”李建刚说，“中国加入ITER计划不仅仅是参与一个项目，而是一方面通过国际合作，以10%的科研贡献换取100%的知识产权成果共享，更主要的目的是通过参与这一国际科技合作项目，把热核聚变的知识真正学到手，将来能在中国独立建造热核聚变反应堆。”
    为了加速解决能源问题，我国除参与ITER计划外，还在可控核聚变的另一条途径———惯性约束聚变的路上奔跑，希望通过两种途径的赛跑，尽快找到和平利用核聚变的最好办法。
    据中国激光核聚变计划前首席科学家贺贤土院士介绍，惯性约束是利用高功率的激光束或粒子束辐照内装聚变燃料靶球表面，发生内爆压缩实现点火来完成聚变反应。我国是开始这方面研究最早的国家之一，已故杰出的核物理学家王淦昌院士在1964年就提出了激光聚变的设想，其后，我国在激光聚变科研上做出了很多值得称道的工作。我国最大的激光聚变装置“神光II”2000年开始运行，已进行了2000多次打靶实验，获得了重要物理成果。“神光III”的样机也已开始运行，“神光III”主机2010年建成后，在3至5个千亿分之一秒脉冲中，输出功率可达15万至20万焦耳，比美国前NOVA和现在OMEGA高功率激光器能量大4至5倍。进一步的目标是在2020年或稍后建成更大能量的激光器，在我国实现热核点火和自持燃烧。
    人类利用核聚变的梦想
    核聚变之所以受到全世界的关注，是因为它诱人的前景。核聚变以海水中提炼出的氘为原料，一升海水中可提炼出30毫克氘，其聚变后放出的能量相当于300升汽油燃烧放出的能量。更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染，万一发生意外，反应堆会自动冷却停止反应，不会发生爆炸事故。
    作为世界上第一个热核聚变反应堆，ITER开工在即。如此巨大的投入和漫长的实施过程，ITER计划成功的把握有多大？专家们认为，ITER的所有核心部件都已经做过，接下来要做的是放大、组装和做得更巧妙。虽然困难还有很多，但人类利用核聚变的梦想一定能实现。
    来自美国加州大学的美籍华人陈骝教授告诉记者，目前科学家们已破解了可控核聚变的许多重大难题。比如，通过控制核聚变燃料的加入速度和加入量，使具有瞬间爆发巨大能量特点的核聚变反应有节奏地进行。为超高温等离子建一条环型磁轨，把具有强烈向外扩张特点的超高温等离子体约束在规定的磁场内，不让它与容器壁相接触，以免容器熔化。
    核聚变反应需要的超高温及其状态下的稳定运行也不断取得新突破，欧共体的JET托卡马克装置和美国的TFTR装置，都曾在实验中使装置内温度达到3亿摄氏度。法国的超导托卡马克装置，还在实验中取得了连续放电360秒的可喜成绩。
    “人造太阳曙光初露，在很多方面写下了‘1’，后面要做的是添‘0’。但距科学家的期望仍然很远，还有许多的‘1’要写。”陈骝教授说，特别是能量增益问题，现在世界上所有装置的实验，输入能量与输出能量基本相等，实现的最大Q值才达到1.25,也就是用一度电才能发出1.25度电。这就不能实现能量增益，等于在做无用功。按照设计方案，ITER要实现用一度电至少输出10度电的目标，这与现实距离还很大。另外磁场的稳定性问题还是个未知数，有专家担心，磁场也有可能出现大破裂。科学家们希望通过反应堆的实验，暴露问题，改进设计，提供创造新思路。
    ITER只是一个实验堆，人类要和平利用核聚变，有很多的问题需要通过实验来研究解决。专家们指出，实验堆主要是解决核聚变的原理及技术问题，接下来还要通过示范堆，来解决工程、材料等问题，最终解决经济问题，才能建造商业堆发电，还有相当漫长的路要走。
　　亟需培养“ITER这一代”
    ITER计划从建造到运行将持续30年，需要一代科研人员的全身心投入，李建刚教授认为，我国现在必须让更多年龄在25至30岁的年轻科研人员参与到ITER计划，我们称他们为“ITER这一代”。这也是贺贤土院士、李建刚教授等发起此次讲习班的目的，希望通过国际上权威科学家的讲学，激发年轻一代对核聚变研究的兴趣，拓展他们的视野。
    建造“人造太阳”需要大批工程、材料、物理人才。陈骝教授认为我国在核聚变工程方面培养了不少人才，对材料也有一定掌握，但物理科学人才方面特别是ITER计划的物理学人才很缺乏，尤其是在基础研究上缺少有原始创新、能在最前面划“1”的尖端人才。
    李建刚赞同这一说法：现在我国顶尖科学家与世界一流有差距，这几年我们做EAST培养了一批工程师，但物理学家的差距比较大，最缺搞等离子体理论物理的科研人员。这两天，如何加快从事核聚变研究人才的培养，成为国际讲习班的中国科学家们讨论最多的一个话题。
    ITER需要一代科学家，需要成千上万人才，现在我国高等学校的培养速度远远不够。大连理工大学高科技研究院执行院长王晓钢教授告诉记者，目前我国只有中国科技大学和大连理工大学招收应用物理专业等离子体方向的本科生，每年40至60人左右，这些毕业生中选择搞核聚变研究的不到10个人。专家们为此期待有更多爱好物理的青年学子能加入到核聚变研究中来，为加速解决能源危机做出贡献。